金刚石膜，大突破！

发布时间：2024-10-31 08:47:40 | 浏览量： 22次

金刚石，以其无与伦比的材料特性，在量子与电子技术领域展现出了巨大的应用潜力。然而，单晶金刚石的异质外延生长技术尚存在局限性，这在一定程度上阻碍了金刚石基技术的进一步集成与发展。针对这一挑战，芝加哥大学的研究团队成功地将单晶金刚石膜直接键合至多种材料之上，包括硅、熔融石英、蓝宝石、热氧化物以及铌酸锂等。这一创新性的键合工艺，融合了定制的膜合成技术、精密的转移手段以及高效的干表面功能化处理，不仅极大地减少了污染，还确保了产量的统一性与工艺的可扩展性。


 研究团队所制备的键合晶体膜，其厚度低至惊人的10纳米，界面区域更是达到了亚纳米级别，且尺寸可覆盖至200 x 200 μm²的广阔范围。在150纳米厚的键合膜中，氮空位中心的自旋相干时间T2被测量出高达623 ± 21 μs，这一数据充分证明了其在高端量子应用中的卓越性能。此外，研究还展示了多种将高品质因数的纳米光子腔与金刚石异质结构进行集成的方法，进一步凸显了该平台在量子光子学领域的多功能性与广阔前景。



尤为值得一提的是，这种超薄金刚石膜与全内反射荧光（TIRF）显微镜的兼容性，使得相干金刚石量子传感器能够直接与活细胞相结合，同时有效地抑制了背景发光的干扰。这一特性为量子生物传感与成像领域带来了全新的实验可能性，有望推动相关技术的快速发展。

相关研究成果以题为“Direct-bonded diamond membranes for heterogeneous quantum and electronic technologies”的论文，在《Nature Communications》上进行了发表。该论文详细阐述了这一创新工艺的全套流程，为量子与电子技术领域提供了一套完整的金刚石基异质系统合成工具包。



研究人员展示了创建基于金刚石的异质材料和技术的完整工艺流程。键合膜结合了同位素工程、原位掺杂和精确的厚度控制，同时保持了量子技术所必需的表面形貌、平整度和晶体质量。我们生成的键合连续晶体膜厚度仅为10纳米，远低于之前的演示，可与最先进的微电子技术中的材料几何形状相媲美。HRTEM揭示了有序的亚纳米键合界面，PL 测量表明所有托管色心都具有高信噪比，氮空位中心保持了类似块体的自旋相干性。该工艺与纳米结构基板兼容，占地面积小，不需要键合后蚀刻，从而确保了预先存在的目标基板结构的完整性。键合膜可承受多个后续纳米制造步骤，方法与包括晶圆键合在内的标准半导体制造工艺兼容。 

至关重要的是，通过避免使用中间粘合材料，研究人员生成了适用于量子光子学和量子生物传感的最佳材料异质结构。通过TiO2沉积或直接金刚石图案化和蚀刻来集成高品质因数纳米光子学，证明了量子光子学的技术适用性。这些基于金刚石的异质结构具有最小的光损耗，是片上纳米光子集成和自旋光子耦合装置的理想候选者。此外，证明了金刚石膜键合通过将流动通道与金刚石膜集成，为量子生物传感和成像开辟了新的实验可能性。荧光分子和 NV−中心的同时分辨率将能够准确识别所需传感目标的近端 NV−传感器。超薄金刚石膜还允许TIRF照明，大大提高了局部传感目标的信号对比度，同时最大限度地减少了不必要的激光激发。

该制造工艺为量子技术开辟了广泛的基于金刚石的异质平台。金刚石与 LiNbO3等电光和压电材料的集成将为片上电可重构非线性量子光子学铺平道路，并允许研究量子自旋声子相互作用。金刚石键合解锁了与其他固态量子比特、磁共振混合系统或超导平台的更多耦合可能性。此外，将这种金刚石膜与已建立的高度相干近表面 NV − 中心的技术相结合，将产生超灵敏的金刚石探针，该探针专为研究分子结合分析、二维二硫属化物 (TMD) 和薄膜磁性材料而优化。最后，由于高热导率、大带隙和高临界电场，键合金刚石膜在高功率电子器件中有着广泛的应用。


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