Nitrogen vacancy (NV) centers are fluorescent defects widely employed for thermometry, most commonly via temperature-dependent shifts of their optically detected magnetic resonance. Recently, all-optical approaches based on temperature-dependent features of the NV center fluorescence spectrum have also gained traction. Excited state lifetime thermometry is an all-optical technique that has been implemented using other fluorophores but has not previously been demonstrated for NV centers in individual nanodiamonds (NDs). Here, we report temperature-dependent excited state lifetime measurements of NV centers in individual NDs between 300 K and 500 K. We measure a 32 ± 7.0% and 35 ± 8.3% average decrease in the excited state lifetimes of individual NDs on silicon and glass substrates, respectively, over this temperature range. A linear approximation applicable to nearly all measured NDs yields temperature coefficients of −2000 ± 240 ppm/K and −2600 ± 280 ppm/K for NDs on silicon and glass, respectively. In addition to all-optical operation, single-ND excited state lifetime thermometry offers ∼100 ns temporal resolution and utilizes time-correlated single photon counting measurements ideally suited to low emission intensities, a limiting factor for other NV center thermometry techniques above 700 K. We demonstrate that atomic force microscope nanomanipulation can position individual NDs at critical locations on a sample of interest, enabling single-point temperature measurements that combine ∼100 ns temporal resolution and ∼100 nm spatial resolution. This work also has broader implications for other single-ND excited state lifetime sensing applications, where care is required to avoid conflating changes in temperature and other environmental parameters.

1.
L.
Rondin
,
J. P.
Tetienne
,
T.
Hingant
,
J. F.
Roch
,
P.
Maletinsky
, and
V.
Jacques
,
Rep. Prog. Phys.
77
,
056503
(
2014
).
2.
G.
Balasubramanian
,
A.
Lazariev
,
S. R.
Arumugam
, and
D.
wen Duan
,
Curr. Opin. Chem. Biol.
20
,
69
(
2014
).
3.
Quantum Information Processing with Diamond: Principles and Applications
, edited by
S.
Prawer
and
I.
Aharonovich
(
Woodhead Publishing
,
2014
).
4.
S.
Hsieh
,
P.
Bhattacharyya
,
C.
Zu
,
T.
Mittiga
,
T. J.
Smart
,
F.
MacHado
,
B.
Kobrin
,
T. O.
Höhn
,
N. Z.
Rui
,
M.
Kamrani
,
S.
Chatterjee
,
S.
Choi
,
M.
Zaletel
,
V. V.
Struzhkin
,
J. E.
Moore
,
V. I.
Levitas
,
R.
Jeanloz
, and
N. Y.
Yao
,
Science
366
,
1349
(
2019
).
5.
G.
Kucsko
,
P. C.
Maurer
,
N. Y.
Yao
,
M.
Kubo
,
H. J.
Noh
,
P. K.
Lo
,
H.
Park
, and
M. D.
Lukin
,
Nature
500
,
54
(
2013
).
6.
P.
Andrich
,
J.
Li
,
X.
Liu
,
F. J.
Heremans
,
P. F.
Nealey
, and
D. D.
Awschalom
,
Nano Lett.
18
,
4684
(
2018
).
7.
D. M.
Toyli
,
C. F.
de las Casas
,
D. J.
Christle
,
V. V.
Dobrovitski
, and
D. D.
Awschalom
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
110
,
8417
(
2013
).
8.
A.
Laraoui
,
H.
Aycock-Rizzo
,
Y.
Gao
,
X.
Lu
,
E.
Riedo
, and
C. A.
Meriles
,
Nat. Commun.
6
,
8954
(
2015
).
9.
H.-C.
Lu
,
J.-I.
Lo
,
Y.-C.
Peng
, and
B.-M.
Cheng
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
26982
(
2020
).
10.
V. M.
Acosta
,
A.
Jarmola
,
E.
Bauch
, and
D.
Budker
,
Phys. Rev. B
82
,
201202(R)
(
2010
).
11.
J. R.
Maze
,
A.
Gali
,
E.
Togan
,
Y.
Chu
,
A.
Trifonov
,
E.
Kaxiras
, and
M. D.
Lukin
,
New J. Phys.
13
,
025025
(
2011
).
12.
P.
Neumann
,
I.
Jakobi
,
F.
Dolde
,
C.
Burk
,
R.
Reuter
,
G.
Waldherr
,
J.
Honert
,
T.
Wolf
,
A.
Brunner
,
J. H.
Shim
,
D.
Suter
,
H.
Sumiya
,
J.
Isoya
, and
J.
Wrachtrup
,
Nano Lett.
13
,
2738
(
2013
).
13.
V. M.
Acosta
,
E.
Bauch
,
M. P.
Ledbetter
,
A.
Waxman
,
L. S.
Bouchard
, and
D.
Budker
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
070801
(
2010
).
14.
M. W.
Doherty
,
V. M.
Acosta
,
A.
Jarmola
,
M. S. J.
Barson
,
N. B.
Manson
,
D.
Budker
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rev. B
90
,
041201(R)
(
2014
).
15.
T.
Plakhotnik
,
M. W.
Doherty
,
J. H.
Cole
,
R.
Chapman
, and
N. B.
Manson
,
Nano Lett.
14
,
4989
(
2014
).
16.
T.
Plakhotnik
,
H.
Aman
, and
H.-C.
Chang
,
Nanotechnology
26
,
245501
(
2015
).
17.
M.
Fukami
,
C. G.
Yale
,
P.
Andrich
,
X.
Liu
,
F. J.
Heremans
,
P. F.
Nealey
, and
D. D.
Awschalom
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
014042
(
2019
).
18.
T. T.
Tran
,
B.
Regan
,
E. A.
Ekimov
,
Z.
Mu
,
Z.
Yu
,
W.
Gao
,
P.
Narang
,
A. S.
Solntsev
,
M.
Toth
,
I.
Aharonovich
, and
C.
Bradac
,
Sci. Adv.
5
,
eaav9180
(
2019
).
19.
S.
Kalytchuk
,
K.
Poláková
,
Y.
Wang
,
J. P.
Froning
,
K.
Cepe
,
A. L.
Rogach
, and
R.
Zbořil
,
ACS Nano
11
,
1432
(
2017
).
20.
K.
Okabe
,
N.
Inada
,
C.
Gota
,
Y.
Harada
,
T.
Funatsu
, and
S.
Uchiyama
,
Nat. Commun.
3
,
705
(
2012
).
21.
L.
Marciniak
and
K.
Trejgis
,
J. Mater. Chem. C
6
,
7092
(
2018
).
22.
O. A.
Savchuk
,
P.
Haro-González
,
J. J.
Carvajal
,
D.
Jaque
,
J.
Massons
,
M.
Aguiló
, and
F.
Díaz
,
Nanoscale
6
,
9727
(
2014
).
23.
A. D.
Pickel
,
A.
Teitelboim
,
E. M.
Chan
,
N. J.
Borys
,
P. J.
Schuck
, and
C.
Dames
,
Nat. Commun.
9
,
4907
(
2018
).
24.
S.
Yakunin
,
B. M.
Benin
,
Y.
Shynkarenko
,
O.
Nazarenko
,
M. I.
Bodnarchuk
,
D. N.
Dirin
,
C.
Hofer
,
S.
Cattaneo
, and
M. V.
Kovalenko
,
Nat. Mater.
18
,
846
(
2019
).
25.
M. W.
Doherty
,
N. B.
Manson
,
P.
Delaney
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rep.
528
,
1
(
2013
).
26.
Y. K.
Tzeng
,
P. C.
Tsai
,
H. Y.
Liu
,
O. Y.
Chen
,
H.
Hsu
,
F. G.
Yee
,
M. S.
Chang
, and
H. C.
Chang
,
Nano Lett.
15
,
3945
(
2015
).
27.
D. M.
Toyli
,
D. J.
Christle
,
A.
Alkauskas
,
B. B.
Buckley
,
C. G.
Van de Walle
, and
D. D.
Awschalom
,
Phys. Rev. X
2
,
031001
(
2012
).
28.
G. Q.
Liu
,
X.
Feng
,
N.
Wang
,
Q.
Li
, and
R. B.
Liu
,
Nat. Commun.
10
,
1344
(
2019
).
29.
T.
Plakhotnik
and
D.
Gruber
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
9751
(
2010
).
30.
M.
Alkahtani
,
J.
Lang
,
B.
Naydenov
,
F.
Jelezko
, and
P.
Hemmer
,
ACS Photonics
6
,
1266
(
2019
).
31.
C.
Foy
,
L.
Zhang
,
M. E.
Trusheim
,
K. R.
Bagnall
,
M.
Walsh
,
E. N.
Wang
, and
D. R.
Englund
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
26525
(
2020
).
32.
O. A.
Shenderova
,
A. I.
Shames
,
N. A.
Nunn
,
M. D.
Torelli
,
I.
Vlasov
, and
A.
Zaitsev
,
J. Vac. Sci. Technol. B
37
,
030802
(
2019
).
33.
E.
Von Haartman
,
H.
Jiang
,
A. A.
Khomich
,
J.
Zhang
,
S. A.
Burikov
,
T. A.
Dolenko
,
J.
Ruokolainen
,
H.
Gu
,
O. A.
Shenderova
,
I. I.
Vlasov
, and
J. M.
Rosenholm
,
J. Mater. Chem. B
1
,
2358
(
2013
).
34.
I.
Rehor
,
J.
Slegerova
,
J.
Kucka
,
V.
Proks
,
V.
Petrakova
,
M. P.
Adam
,
F.
Treussart
,
S.
Turner
,
S.
Bals
,
P.
Sacha
,
M.
Ledvina
,
A. M.
Wen
,
N. F.
Steinmetz
, and
P.
Cigler
,
Small
10
,
1106
(
2014
).
35.
F. A.
Inam
,
A. M.
Edmonds
,
M. J.
Steel
, and
S.
Castelletto
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
253109
(
2013
).
36.
A.
Mohtashami
and
A. F.
Koenderink
,
New J. Phys.
15
,
043017
(
2013
).
37.
P.
Reineck
,
L. F.
Trindade
,
J.
Havlik
,
J.
Stursa
,
A.
Heffernan
,
A.
Elbourne
,
A.
Orth
,
M.
Capelli
,
P.
Cigler
,
D. A.
Simpson
, and
B. C.
Gibson
,
Part. Part. Syst. Charact.
36
,
1900009
(
2019
).
38.
K. M. C.
Fu
,
C.
Santori
,
P. E.
Barclay
, and
R. G.
Beausoleil
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
121907
(
2010
).
39.
S.
Karaveli
,
O.
Gaathon
,
A.
Wolcott
,
R.
Sakakibara
,
O. A.
Shemesh
,
D. S.
Peterka
,
E. S.
Boyden
,
J. S.
Owen
,
R.
Yuste
, and
D.
Englund
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
113
,
3938
(
2016
).
40.
K. Y.
Han
,
K. I.
Willig
,
E.
Rittweger
,
F.
Jelezko
,
C.
Eggeling
, and
S. W.
Hell
,
Nano Lett.
9
,
3323
(
2009
).
41.
J.
Storteboom
,
P.
Dolan
,
S.
Castelletto
,
X.
Li
, and
M.
Gu
,
Opt. Express
23
,
11327
(
2015
).
42.
A. H.
Heffernan
,
A. D.
Greentree
, and
B. C.
Gibson
,
Sci. Rep.
7
,
9252
(
2017
).
43.
F. A.
Inam
,
M. D. W.
Grogan
,
M.
Rollings
,
T.
Gaebel
,
J. M.
Say
,
C.
Bradac
,
T. A.
Birks
,
W. J.
Wadsworth
,
S.
Castelletto
,
J. R.
Rabeau
, and
M. J.
Steel
,
ACS Nano
7
,
3833
(
2013
).
44.
A.
Khalid
,
K.
Chung
,
R.
Rajasekharan
,
D. W. M.
Lau
,
T. J.
Karle
,
B. C.
Gibson
, and
S.
Tomljenovic-Hanic
,
Sci. Rep.
5
,
11179
(
2015
).
45.
A. W.
Schell
,
G.
Kewes
,
T.
Schröder
,
J.
Wolters
,
T.
Aichele
, and
O.
Benson
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
073709
(
2011
).
46.
A.
Huck
,
S.
Kumar
,
A.
Shakoor
, and
U. L.
Andersen
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
096801
(
2011
).
47.
A. W.
Schell
,
G.
Kewes
,
T.
Hanke
,
A.
Leitenstorfer
,
R.
Bratschitsch
,
O.
Benson
, and
T.
Aichele
,
Opt. Express
19
,
7914
(
2011
).
48.
T.
Van Der Sar
,
E. C.
Heeres
,
G. M.
Dmochowski
,
G.
De Lange
,
L.
Robledo
,
T. H.
Oosterkamp
, and
R.
Hanson
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
173104
(
2009
).
49.
A.
Laraoui
,
J. S.
Hodges
, and
C. A.
Meriles
,
Nano Lett.
12
,
3477
(
2012
).
50.
R.
Beams
,
D.
Smith
,
T. W.
Johnson
,
S. H.
Oh
,
L.
Novotny
, and
A. N.
Vamivakas
,
Nano Lett.
13
,
3807
(
2013
).
51.
A. W.
Schell
,
P.
Engel
,
J. F. M.
Werra
,
C.
Wolff
,
K.
Busch
, and
O.
Benson
,
Nano Lett.
14
,
2623
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.