研究背景

量子傳感技術(shù)具有場檢測高靈敏度和場映射高空間分辨率，有機(jī)化學(xué)導(dǎo)體（OSC）對磁場非常敏感，基于OSC的固態(tài)器件是一種新型量子傳感器，可通過電檢測磁共振（EDMR）和光學(xué)檢測磁共振（ODMR）提供電讀出和光讀出，EDMR允許單點(diǎn)式傳感器的芯片級集成，ODMR允許同時采集視場中的光學(xué)信號，從而實(shí)現(xiàn)空間分辨率的傳感和成像，OSC本身也與大規(guī)模生產(chǎn)的電子產(chǎn)品兼容，應(yīng)用范圍非常廣。

研究結(jié)果

新南威爾士大學(xué)西尼分校McCamey等展示了一種集成固態(tài)設(shè)備用于檢測和成像磁場，此設(shè)備通過電學(xué)（通過EDMR）和光學(xué)（通過ODMR）方式測量磁場，其中π-共軛聚氨基甲酸有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）和微波諧振器橫向集成在同一襯底上，既可通過測量其體積EDMR或ODMR響應(yīng)來用作點(diǎn)式傳感器，又可通過空間解析ODMR用作傳感器的虛擬陣列。后者提供了一種無需點(diǎn)對點(diǎn)掃描的快速磁映射路線，這可能在量子磁傳感和成像中具有潛在應(yīng)用。OLED中光電檢測磁共振的關(guān)鍵機(jī)制是基于活性發(fā)射層的自旋重組及電荷載流子對的離解動力學(xué)，使用商業(yè)黃色聚乙烯(亞苯基亞乙烯）（PPV）共聚物（SY-PPV）作為器件發(fā)射聚合物層，當(dāng)正負(fù)電荷載流子從電極重新注入時，以庫侖方式結(jié)合在一起，并在發(fā)射聚合物層中形成電子-空穴極化子對，這些極化子對根據(jù)自旋構(gòu)型可具備單線態(tài)或三線態(tài)主導(dǎo)的特征，通過自旋相互作用在單線態(tài)和三線態(tài)極化子之間發(fā)生自旋混合。極化子對可進(jìn)一步重組形成單線態(tài)或三線態(tài)激子，或離解回自由電荷載流子。在磁共振（f=γB0，其中f：微波頻率，γ：旋磁化，B0:施加的磁場）下，極性對中單個電荷載流子的自旋翻轉(zhuǎn)被誘導(dǎo)，導(dǎo)致單線態(tài)對與三線態(tài)對的布居比發(fā)生變化，布居變化通過重組和離解過程分別轉(zhuǎn)移到電發(fā)光（EL）和電流，導(dǎo)致EL和電流的變化。隨后可以在磁共振條件下檢測EL和電流的感應(yīng)變化。相關(guān)研究以"Sub-micron spin-based magnetic field imaging with an organic light emitting diode"為題發(fā)表在國際頂級期刊《nature communications》上。

圖文速遞

一、集成器件和EDMR特性

Ω形微波諧振器和位于諧振器中心的微米尺寸異質(zhì)結(jié)構(gòu)OLED（圖1b），微波諧振器使用兩個絕緣層與OLED電隔離。圖1（a）顯示了OLED制造前的諧振器集成基板，圖1（c）為典型的EDMR光譜，微波頻率固定（710MHz），外部磁場B0被掃描。EDMR信號（器件電流的變化）在B0≈25.3（3）mT時達(dá)到最大值，與預(yù)期的諧振頻率相匹配。圖1（d）為頻率掃描EDMR光譜，外部場B0固定在~25.2mT，光譜峰值出現(xiàn)在f≈708.5MHz處，與所施加的磁場相匹配。通過線性擬合實(shí)驗(yàn)獲得器件中的旋磁比為γ=28.03（±0.0024）GHz/T，（圖1e）。由于電荷載流子自旋態(tài)的弱自旋軌道耦合，該值與自由電子旋磁比（28.025GHz/T）略有不同。

二、EDMR點(diǎn)式傳感器

采用磁體創(chuàng)建已知的成像體模，證明設(shè)備的感應(yīng)能力，圖2（a）為實(shí)驗(yàn)方案，通過頻率掃描EDMR測量將磁體和OLED 用作磁場點(diǎn)傳感器，該傳感器可以高精度檢測寬范圍的磁場，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期場的計算模擬之間相似性約為99.8%（圖2b）和98.6%（圖2c）。

三、空間分辨ODMR和磁場映射

設(shè)備不僅能通過EDMR電感測磁場，還可通過空間分辨ODMR為磁場映射提供光學(xué)可達(dá)性，使用光學(xué)顯微鏡將設(shè)備成像到sCMOS相機(jī)上（圖3a）。施加方波微波信號（0.5Hz），用相機(jī)測量開啟和關(guān)閉周期之間的EL差。對微波頻率進(jìn)行掃描，相機(jī)每個像素測量與OLED的空間區(qū)域相關(guān)聯(lián)的ODMR光譜。為提高ODMR光譜的信噪比，更精確地測量磁場，將相機(jī)像素裝倉以形成超像素（圖3b），圖3（c）顯示了不同位置的兩個單獨(dú)超級像素的ODMR光譜。圖3（d）顯示了整個區(qū)域（152.5×152.5μm）測量磁場的2D圖，超像素大小約為0.91μm，對于λ=600nm的典型EL波長，這里的超像素尺寸高于顯微鏡物鏡的光學(xué)衍射極限（λ/(2NA)=714nm）。圖3（e）顯示了圖3（d）中2D地圖的局部區(qū)域（9.1×9.1μm）的放大視圖，像裝箱大小增加，場映射的空間分辨率降低，擬合的標(biāo)準(zhǔn)誤差減小，表明測量靈敏度的提高。

四、磁場靈敏度和場映射的空間分辨率之間的關(guān)系

磁場靈敏度被定義為與測量誤差相對應(yīng)的最小可檢測磁場差δBmin，對應(yīng)于測量誤差。對于空間分辨率約為0.91（5）μm（裝倉尺寸n=3）的磁場映射，如圖3（d）所示，OLED區(qū)域的磁場靈敏度約為233.04μTHz?1/2，融合區(qū)域的磁場敏感性約為163.16μTHz–1/2。當(dāng)超像素尺寸增加到約14.64μm（裝倉尺寸n=48）時，OLED區(qū)的靈敏度提高到約136.88μTHz?1/2。除了磁場映射，設(shè)備還可用于以μm的尺度測量磁場梯度，圖3（d）中沿x方向的平均梯度估計為~3.7μT/μm。場梯度靈敏度（或最小可檢測場梯度差）受到虛擬點(diǎn)傳感器尺寸限制，但可以通過增加虛擬像素大小、間隙距離或以空間分辨率來提高。

使用任何基于共振的技術(shù)進(jìn)行磁場傳感的一個重大挑戰(zhàn)是在寬范圍內(nèi)找到共振頻率的測量時間，這可能很耗時，在操作上可通過在寬范圍內(nèi)粗略掃描，后在諧振范圍內(nèi)精細(xì)掃描來縮短測量時間，但這種改進(jìn)可能受到共振線寬的限制。另一個挑戰(zhàn)是EDMR和ODMR的場敏感性，特別是在空間分辨的ODMR中，與體積相對應(yīng)的信號相比，信噪比要低得多。這可通過多種方式改善：（1）通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，最大限度地減少與傳感器相關(guān)的噪聲，特別是諧振器和OLED之間的電耦合；（2）利用相干量子效應(yīng)的技術(shù)可以進(jìn)一步提高靈敏度。此研究的動機(jī)之一是在室溫下有機(jī)器件中極化子存在相當(dāng)長的自旋相位相干時間，在EDMR測量中觀察到室溫下自旋相位相干時間（T2）接近1μs，開發(fā)具有更長相位的材料潛能巨大。

與基于NV的檢測相比，此傳感器只有一個共振峰，對外部任何方向的磁場強(qiáng)度都比較敏感，因此，場強(qiáng)的檢測中不需要傳感器的對準(zhǔn)。為檢測磁場方向，可通過集成在OLED下面的兩條相互垂直的金屬帶狀線擴(kuò)展設(shè)備架構(gòu)，這將提供一個具有任意方向的平面內(nèi)微波場，通過對每個微波場重復(fù)測量，可以檢測到未知磁場的相應(yīng)矢量分量。設(shè)備可能探測到復(fù)雜的磁性物體，依據(jù)磁性物體的特征尺寸和所需的空間分辨率，器件的有源層和物體表面之間的接近度通常在μm范圍內(nèi)，甚至更小，由于商用器件襯底的典型厚度約為50μm或更大，實(shí)現(xiàn)所需接近度的最佳方法是直接放置要成像的對象在頂部電極上。

結(jié)論與展望

基于OLED的設(shè)備無激光，室溫下能夠進(jìn)行光學(xué)和電學(xué)讀出，且與商用OLED技術(shù)兼容，具備在大面積甚至有弧度的表面上繪制磁場的獨(dú)特能力，此研究提供了一條清晰的技術(shù)途徑，但還需要做更多的工作來提高靈敏度和讀出時間，充分考慮到成本廉價性和靈敏度之間的權(quán)衡，這種方法可適用于一系列應(yīng)用。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37090-y.