本文件描述了使用扫描氮～空位探针显微技术对样品产生的微弱静磁场进行成像的方法。 本文件适用于使用扫描氮～空位探针显微镜进行样品表面磁感应强度成像。 具体场景如下： 对以磁性薄膜、二维磁性材料等为代表的弱磁性样品（磁感应强度典型值＜10mT）进行磁成像； 对矫顽力低的磁性样品进行磁成像； 对磁结构或磁矩密度进行定量研究； 对微观尺度电流磁场进行成像。

ICS17.040.30
CCSA42
中华人民共和国国家标准
GB/T438452024
基于扫描氮-空位探针的微弱静磁场成像测量方法
A weak static magnetic field imaging method based on scanningnitrogen-vacancyprobe
2024-04-25发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2024-11-01实施
规范性引用文件
术语和定义
设备操作条件
设备和仪器
成像步骤
数据处理
10测试报告
附录A(资料性)扫描氮-空位探针及磁场灵敏度介绍附录B（资料性）薄膜样品和多晶样品的SNVM成像结果示例附录C（资料性）
样品的SNVM测试报告
参考文献
GB/T43845—2024
GB/T43845—2024
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国量子计算与测量标准化技术委员会(SAC/TC578)提出并归口。本文件起草单位：国仪量子技术（合肥)股份有限公司、中国科学技术大学、济南量子技术研究院北京航空航天大学、中国科学技术大学上海研究院、中北大学、之江实验室、中国科学院物理研究所、中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所、北京华航无线电测量研究所、南京大学。本文件主要起草人：荣星、王鹏飞、许克标、黄文浩、王明磊、袁、孙启超、唐军、徐南阳、刘刚钦、王宇、马菁汀、黄璞、贺羽。
1范围
基于扫描氮-空位探针的微弱静磁场成像测量方法
GB/T43845—2024
木文件描述了使用扫描氮-空位探针显微技术对样品产生的微弱静磁场进行成像的方法。本文件适用于使用扫描氮-空位探针显微镜进行样品表面磁感应强度成像。具体场景如下：-对以磁性薄膜、二维磁性材料等为代表的弱磁性样品（磁感应强度典型值<10mT）进行磁成像：
-对矫顽力低的磁性样品进行磁成像：一对磁结构或磁矩密度进行定量研究；一对微观尺度电流磁场进行成像注：本文件涉及的氨-空位色心特指金刚石中带负电荷的氮-空位色心。2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件：不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 2900.60—2002
3术语和定义
电磁学
电工术语
GB/T2900.60—2002界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1
氮-空位色心nitrogen-vacancy(color)center金刚石中一个碳原子被氮原子替代，且相邻位置存在一个空位而形成的点缺陷。注：以下简称NV色心”。
扫描氮-空位探针显微镜
scanningnitrogen-vacancyprobemicroscope;SNvM结合氮-空位色心(3.1)光探测磁共振技术和扫描探针显微镜技术，实现对样品扫描磁成像的仪器。3.3
扫描氮-空位探针scanningnitrogen-vacancyprobe实现扫描测量功能的、含有单个氮-空位色心(3.1)的探针。3.4
荧光光子计数率photoncountingrateofthefluorescence扫描氮-空位探针显微镜(3.2)单位时间内收集到的荧光光子数，注：单位为负一次方秒(s-1)。
GB/T438452024
光探测磁共振opticallydetectedmagneticresonance氮-空位色心(3.1)在激光和微波作用下，共振吸收某一特定频段微波的物理过程。注：谱线表现为荧光光子计数率(34)降低，形成共振峰。3.6
定量磁成像模式
quantitativemagneticimagingmode扫描时，对样品每一像素点做光探测磁共振谱测量，通过谱线拟合和计算得到每个像素点的磁感应强度的一种磁成像模式。
注：也称为Full-B模式”。
contourmagneticimagingmode
等高线磁成像模式
扫描时，固定一个或多个微波频率采集荧光强度的一种磁成像模式。注：也称为ISO-B模式”。
4原理
4.1基于NV色心的磁成像技术
室温下NV色心的基态为自旋三重态，自旋三重态的磁量子数分别为mg=0、mg=+1、mg=-1。用绿色激光（波长常用532nm或520nm）对NV色心泵浦，同时施加微波。当微波频率与NV色心电子自旋能级共振时，NV色心电子有一定概率从mg=0态跃迁到mg=-1态或mg=+1态，导致NV色心荧光光子计数率下降，从而在光探测磁共振谱上形成共振峰，见图1。微波作用下，采集的光子数Ns与无微波作用下采集的光子数Nr的比值(Ns/Nr）作为光探测磁共振谱的信号强度。光探测磁共振谱中，共振峰处对应的1-Ns/Nk值称为NV色心的对比度。当磁场改变时，由于塞曼效应，NV色心电子自旋能级发生改变，光探测磁共振谱的共振峰位置也会随之移动。依据共振峰位置，可以计算出磁感应强度。
标引符号说明
光探测磁共振谱的右峰共振频率光探测磁共振谱的左峰共振频率：2850.
频率/MHz
△f—光探测磁共振谱的右峰共振频率与左峰共振频率差；m、
磁量子数。
图1光探测磁共振谱示意图
在NV色心对样品磁成像的基础上，SNVM还需要结合扫描探针显微镜技术，使扫描氮-空位探针在样品表面扫描，见图2。SNVM通过纳米位移台移动样品，利用NV色心测量样品每像素点的磁感应强度，绘制成磁感应强度分布图。关于扫描氮-空位探针的介绍见附录A。2
标引序号说明：
扫描探针显微镜控制器：
物镜：
扫描氮-空位探针；
微波天线：
样品；
纳米位移台。
SNVM的工作模式
图2SNVM结构示意图
GB/T43845—2024
SNVM可工作在反馈控制模式下，如轻敲模式或接触模式。将扫描探针显微镜控制器读取的探针振动信息作为反馈信号，保持扫描氮-空位探针针尖与样品之间的距离在纳米级。其中，若SNVM工作在AC模式，则探针振幅不宜超过1nm。SNVM也可工作在非反馈控制模式下。该模式下不使用反馈控制，保持扫描氮-空位探针针尖与样品之间的距离恒定。
5设备操作条件
SNVM应在仪器说明书规定的环境条件下工作。5.1
5.2操作时使样品、仪器、环境处于热平衡状态。5.3测量过程中，整个样品台的工作环境应保持密闭，防止外界干扰。设备和仪器
SNVM能实现对NV色心的共聚焦成像、对NV色心的光探测磁共振谱测量、对待测样品的原子力显微术形貌成像、对待测样品磁感应强度成像等基本试验功能。为保证图像的质量和准确度，μm，垂直轴向行程至少3μm，水平方向重SNVM的样品纳米位移台水平(x/y方向)轴向行程至少10复定位精度优于2nm；微波源的频率准确度优于1kHz。3
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7样品
7.1样品的尺寸不应大于SNVM的最大允许尺寸。7.2样品表面应光滑、无污染，
样品不应具有腐蚀性、放射性。样品在成像过程中不应发出干扰探测的荧光。7.4
成像步骤
采集图像数据前的准备
打开试验设备，将扫描氮-空位探针以及待测样品分别安装在探针架和样品台上，使得扫描氮-空位探针可以扫描任何可选的待测区域。进行SNVM的软件和硬件初始化设置。8.2探针性质的测试
8.2.1验证探针应能正常驱动。如扫描不到共振峰，应检查探针接触是否良好，或者更换其他探针，直至可以扫描到共振峰。
8.2.2打开共聚焦扫描功能，对扫描氮-空位探针中的NV1色心进行荧光成像、
8.2.3调整激光光点与NV色心的相对位置，使得NV色心荧光光子计数率达到最大。8.2.4验证NV色心光探测磁共振谱，建议选择光探测磁共振谱对比度优于10%的NV色心。8.2.5根据光探测磁共振谱，读取并记录NV色心零场劈裂值。8.3下针及图像数据采集
8.3.1根据试验测试要求，施加外磁场，建议控制外磁场垂直于NV轴向的分量，以保证NV色心的光探测磁共振谱对比度优于10%。
8.3.2将样品靠近扫描氮-空位探针的针尖，使用反馈控制模式或非反馈控制模式。8.3.3打开成像功能，选择定量磁成像模式或者等高线磁成像模式，扫描时确保在x方向上采集M个像素点，y方向上采集N个像素点，即MXN个像素点。根据需求设置合理的采样时间。设定扫描范围，进行扫描，记录磁场数据。8.3，4扫描结束后，重复对相同位置进行扫描，以确认试验结果的正确性和可重复性。如试验结果不可重复，原因可能是扫描氮-空位探针受到污染，应更换探针，重复8.2.1~8.2.5、8.3.1~8.3.3步骤：如NV色心和样品位置发生漂移，应重新校准NV色心和样品的位置，重复8.3.28.3.3步骤。9
数据处理
9.1通则
宜采用热力图展示成像数据，成像结果示例见附录B。微波频率的稳定性与激光功率稳定性等因素对最终信号的影响远小于光子散粒噪声，因此本方法数据处理的试验标准差只考虑散粒噪声的影响。9.2等高线磁成像模式的数据处理在等高线磁成像模式下，若用光探测磁共振谱的信号强度作为试验数据，其标准差用公式（1)描述。N,11
.-N.N.+N
式中：
等高线磁成像模式下，对比度数据的标准差：微波作用下，SNVM采集的光子数；Nk一—无微波作用下，SNVM采集的光子数。9.3定量磁成像模式的数据处理
GB/T438452024
定量磁成像模式下，可获得NV色心的光探测磁避共振谱，如图1所示。磁场的大小与共振频率满足公式(2)和公式(3)的关系。
式中：
-(D ++-2了)(D +- 2J+)(D +- +4)3Y.3D
平行于NV轴的磁感应强度，单位为毫特斯拉(mT)：NV色心零场劈裂，典型值2870MHz；光探测磁共振谱的右峰共振频率，单位为兆赫兹(MHz)；光探测磁共振谱的左峰共振频率，单位为兆赫兹(MHz)：一NV色心电子白旋的旋磁比，单位为兆赫兹每毫特斯拉(MHz/mT)，B
式中：
... (2)
取值为28.033(3)。
(2D-+J.)(2D +2JJ)(2D J+2J)
垂直于NV轴的磁感应强度，单位为毫特斯拉(mT);NV色心零场劈裂，典型值2870MHz；光探测磁共振谱的右峰共振频率，单位为兆赫兹(MHz);一光探测磁共振谱的左峰共振频率，单位为兆赫兹（MHz）；Ye-
一NV色心电子自旋的旋磁比，单位为兆赫慈每毫特斯拉(MHz/mT)，若磁场满足B1<|D/y.1，
式中：
公式(2)可简化为公式(4)：
平行于NV轴的磁感应强度，单位为毫特斯拉(mT);NV色心零场劈裂，典型值2870MHz;光探测磁共振谱的右峰共振频率，单位为兆赫兹(MHz);光探测磁共振谱的左峰共振频率，单位为兆赫兹(MHz);色心电子自旋的旋磁比，单位为兆赫兹每毫特斯拉(MHz/mT)，NV
取值为28.033(3)。
取值为28.033(3)。
在定量磁成像模式下，因为B为外磁场与样品磁场在NV轴上的分量之和，所以样品的磁感应强度可用公式(5)描述，磁感应强度的标准差用公式（6)描述。Bsample=B—Bbias
式中：
Bsample
样品的磁感应强度，单位为毫特斯拉(mT);平行于NV轴的磁感应强度，单位为毫特斯拉(mT);外磁场的磁感应强度，单位为毫特斯拉(mT)。 (5)
GB/T43845—2024
式中：
Vo, +0+ _0f
oB磁感应强度的标准差，单位为毫特斯拉(mT);......
一拟合光探测磁共振谱右峰得到的共振频率的标准差，单位为兆赫兹(MHz);of+
拟合光探测磁共振谱左峰得到的共振频率的标准差，单位为兆赫兹(MHz);oj-
Y。一—NV色心电子自旋的旋磁比，单位为兆赫兹每毫特斯拉(MHz/mT)，取值为28.033(3)。10
测试报告
测试报告应包含以下内容：
测试报告编号；
样品名称：
送样日期：
送样人的姓名、单位、联系方式：测试内容及要求：
样品的测试日期；
测试仪器的型号及工作条件；
测试结果以及必要的结果说明：测试人及审核人签字；
测试单位名称和地址：
测试报告页码。
测试报告样表见附录C。
A.1扫描氮-空位探针
附录A
(资料性）
扫描氮-空位探针及磁场灵敏度介绍GB/T 43845——2024
用于扫描成像的扫描氮-空位探针形式有多种，常见的两种见图A.1。第一种是将纳米金刚石粘到硅基悬臂梁针尖末端，第二种是将金刚石纳米柱固定在石英音叉上。对于其他形式的扫描氮-空位探针做微弱静磁场成像，亦适用于本文件。若NV色心的制备是通过离子注入法实现的，氮离子的注入能量不宜大于20keV,以保证NV色心深度较浅：使用的扫描氮-空位探针中，NV色心荧光不能存在闪烁现象，且荧光光子计数率优于1×105S-\，光探测磁共振谱对比度优于10%。a)基于硅基悬臂梁式扫描氮-空位探针标引序号说明：
1硅基悬臂梁；
2—纳米金刚石：bZxz.net
3金刚石纳米柱：
4—连接支架；
5—石英音叉。
注：图A1为示意图，不代表实际尺寸。b)基于石英音叉式扫描氮-空位探针图A.1扫描氮-空位探针结构示意图A.2磁场灵敏度
将SNVM在1s内可探测到的最小磁感应强度变化量定义为磁场灵敏度，可通过光探测磁共振谱用公式(A.1)计算得到：
式中：
磁场灵敏度，单位为微特斯拉每平方根赫兹(mT/VHz);NV色心的对比度：
.(A.1)
NV色心电子自旋的旋磁比，单位为兆赫兹每毫特斯拉(MHz/mT)，取值为28.033(3)：Ye
8v一一光探测磁共振谱的半高全宽，单位为兆林兹(MHz);R
一一NV色心的荧光光子计数率，单位为负一次方秒(s-\）。在使用等高线磁成像模式进行磁成像过程中，为达到最优灵敏度，需要将微波频率固定在光探测磁共振谱斜率最大处对应的频率。GB/T43845—2024
试验结果
附录B
(资料性)
薄膜样品和多晶样品的SNVM成像结果示例在室温、大气、外磁场1.1mT试验条件下，Ta(5nm)/CoFeB(1
nm)/MgQ(1.5
nm)/Ta(2
nm)湾
膜样品表面磁泡结构的等高线磁成像模式结果见图B.1a）。在室温、大气、外磁场7.6mT试验条件下，(Mn1-aNiz)0.65Gao.35(x=0.45）多晶样品表面磁泡结构的定量磁成像模式结果见图B.1b）。信号强度
a）等高线磁成像模式
b）定量磁成像模式
图B.1薄膜样品和多晶样品的SNVM【成像结果
B.2等高线磁成像模式数据分析
对于等高线磁成像模式，若用光探测磁共振谱的信号强度作为试验数据，可在图像中选择一部分像素，对这些像素的试验数据进行标准差分析。例如，在图B.1a)中截取其中一行的总长度为200nm的段像素，根据公式（1)可计算出每点的标准差结果，见图B.2。1.0
置/nm
图B.2等高线磁成像模式的标准差分析结果B.3定量磁成像模式数据分析
对于定量磁成像模式，用每一像素点的磁感应强度作为试验数据，可在图像中选择一部分像素，对这些像素的试验数据进行标准差分析。例如，在图B.1b）中截取其中一行的总长度为2000nm的一段8
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