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       随着量子计算和量子传感平台的成熟，承载量子位的材料（例如金刚石）的表面化学是一个重要的探索途径。将金刚石（特别是纳米级金刚石（ND））与二氧化硅连接是将室温量子比特集成到具有灵活功能化化学的光子器件、光纤、细胞或组织中的潜在途径。

       来自圣何塞州立大学 (SJSU) 的研究人员描述了金刚石上二氧化硅键形成的表面化学，并使用 X 射线吸收光谱 (XAS) 来探测金刚石表面化学及其随二氧化硅厚度增加的电子结构。结研究称金刚石表面的醇化学基团有助于形成有效均匀的二氧化硅壳，可以帮助他们制造更好的二氧化硅涂层纳米金刚石。相关研究成果以“Quantum Diamonds at the Beach: Chemical Insights into Silica Growth on Nanoscale Diamond using Multimodal Characterization and Simulation”为题发表在《ACS Publications》上。

       研究人员通过改进的Stöber方法，在富含羧酸的ND核心上合成了2-35纳米厚的SiO2壳层。通过电子显微镜等重叠技术对金刚石形态、表面和电子结构进行了表征。发现在羧酸化的ND上生长SiO2会消除羧酸的存在，而碱性乙醇溶液会在SiO2生长之前将ND表面转化为富含醇的表面。

       该研究首次观察到SiO2厚度对金刚石电子结构的抑制作用，并计算出最大的探测深度约为14纳米。此外，由过渡边缘传感器产生的共振非弹性X射线散射（RIXS）图强化了XAS提供的化学分析。使用金刚石或高压高温（HPHT）ND以及其他异质材料（如碳化硅或立方氮化硼）进行量子感测应用的研究人员可以利用这些结果，通过表面醇基团形成共价键，设计新的分层或核壳量子传感器。

图文导读

图1. 显示了在类似于Stöber方法的碱催化反应中使用原硅酸四乙酯生长二氧化硅。

图2. HPHT ND 核上二氧化硅的厚度由反应时间的长短控制，并且增加的生长形成厚度约为 20 nm 的近球形 ND-SiO2 。

图3. XAS 光谱被发现可以通过金刚石电子结构的减少有效地跟踪二氧化硅的生长，并且由于产生样品电流的非弹性俄歇电子而呈指数减少。

图4. SESSA 模拟定性地支持了壳层厚度增加的 ND-SiO2样品的实验 TEY 数据

图5. ND-SiO2样品的 XAS 光谱证实了各种分子的成功修饰、二氧化硅生长后羧酸盐特征的去除以及金刚石结合与分子羧酸盐之间的区别。

       总结

       研究人员发现，在高度纯化的 HPHT ND 上生长 2–35 nm SiO2壳可以抑制金刚石核的底层电子结构，探测深度约为15 nm。SiO2的生长机制是由金刚石表面的醇驱动的，其中羟基化发生在碱性 乙醇溶液中，而脱羧反应在SiO2生长反应过程中普遍存在。HRTEM 和 EDS 用于确认平均 SiO2壳层厚度，并且在 TEY 模式下获取的 C1s XAS 数据允许由于 245-270 eV 俄歇电子产生的非弹性二次电子级联检测到水下金刚石。表面功能化ND-SiO 2的XAS谱收集叠氮化物、胺、氟和其他表面部分的样品，以证明SiO2表面的化学灵活性，用于使用 NV 中心 ND 进行生物标记和生物传感应用。由于丰富的醇基团，SiO2在金刚石表面上生长是均匀的，因此该工作应该会激发新的金刚石-金属氧化物核-壳纳米结构的探索，用于量子传感和生物标记应用。

原文：https://doi.org/10.1021/acsnanoscienceau.3c00033