APPLICATIONS IN DEVICE CHARACTERIZATION

Optically Enhanced Magnetic Resonance Techiniques for Device Characterization

Optically detected magnetic resonance in fluorescent nanodiamonds is a technique that shows the great potential of hybridizing magnetic resonance phenomenon with optical microscopy. Optical microscopy along with fluorescent nanodiamonds can be used to detect local temperatures at the nanoscale. We recently determined that the temperature of fluorescent nanodiamonds attached to a glass substrate differs from that of the substrate [1]. This is because of the temperature difference between the atmosphere and the substrate, suggesting that there is a nanoscale distribution in temperature. It is extremely difficult to accurately measure the true surface temperature of a substrate using currently available technology. As another example of such hybrid technology, although magnetic resonance has been used to detect spin charges in organic devices; thus far, only the temperature of the entire device has been successfully measured. If we can combine magnetic resonance techniques with optical microscopy, we should be able to determine the spatial inhomogeneity of spin charges. Therefore, our aim is to develop such novel analytical technology using nanodevices and nanomaterials based on these concepts.

蛍光ナノダイヤモンドにおける光検出磁気共鳴は、磁気共鳴現象が顕微鏡技術と融合すれば、計測技術として非常に大きな可能性があることを示す一例です。蛍光ナノダイヤモンドであれば、単純な顕微分光技術がナノ粒子をプローブとして局所的な温度計測ができるようになります。例えば私たちが最近行った研究では、ガラス基板上に貼りついた蛍光ナノダイヤモンドの温度が基板温度と異なることを示す結果が得られています[1]。これは環境大気と基板との温度差が原因なのですが、よく考えるとナノ粒子程度の大きさで温度分布が存在するということも示唆しています。実際、基板の本当の表面温度を正確に測定することは今でも難しいことなのです。他の例として、磁気共鳴現象は有機デバイス内のスピン電荷を検出したりするのに用いられてきました。これまではデバイス全体の性能しか測定できませんでしたが、これに顕微分光技術を融合できれば、スピン電荷の空間的な不均一性を可視化するようなこともできるかもしれません。私たちは、磁気共鳴現象と顕微鏡技術を融合して、ナノデバイスやナノ材料の新しい分析技術を作り出そうとしています。

[1] Fujiwara et al., Phys. Rev. Research 2, 043415 (2020).