金剛石具有適用于各種量子和電子技術的卓越材料特性。然而，單晶金剛石的異質外延生長仍然有限，阻礙了金剛石基技術的集成和發展。為此，芝加哥大學的研究人員將單晶金剛石膜直接鍵(jian)(jian)合到各種(zhong)材料上，包括(kuo)硅、熔(rong)融(rong)石英、藍寶石、熱氧化物和(he)鈮酸鋰(li)。這種(zhong)鍵(jian)(jian)合工藝結合了定制的膜合成、轉移和(he)干(gan)表面功(gong)能化，可最大(da)程度地減少污染，同時提供接近統一產量和(he)可擴展性的途徑。

       研(yan)究人員生成的(de)(de)鍵(jian)合(he)晶體(ti)膜厚(hou)度低(di)至10納米(mi)，界面區域為亞納米(mi)，厚(hou)度變化(hua)范圍為 200 x 200?μm2。測量了150納米(mi)厚(hou)的(de)(de)鍵(jian)合(he)膜中氮空位中心的(de)(de)自旋相干(gan)時間T2，高(gao)達623 ± 21?μs，適用于高(gao)級量子(zi)(zi)應用。展(zhan)示(shi)了將高(gao)品質因(yin)數納米(mi)光(guang)子(zi)(zi)腔與金(jin)剛石(shi)異(yi)質結構集成的(de)(de)多種(zhong)方法(fa)，突(tu)出(chu)了該平(ping)臺在量子(zi)(zi)光(guang)子(zi)(zi)應用中的(de)(de)多功(gong)能性。此(ci)外，還展(zhan)示(shi)了這種(zhong)超薄金(jin)剛石(shi)膜與全內反(fan)射熒光(guang) (TIRF) 顯微鏡兼容，這使得(de)相干(gan)金(jin)剛石(shi)量子(zi)(zi)傳感器能夠與活細胞連接，同(tong)時抑(yi)制不需(xu)要的(de)(de)背(bei)景(jing)發光(guang)。本文展(zhan)示(shi)的(de)(de)流程提供了一套完整的(de)(de)工具(ju)包，用于合(he)成用于量子(zi)(zi)和(he)電(dian)子(zi)(zi)技術的(de)(de)異(yi)質金(jin)剛石(shi)基混合(he)系統。

     ;  相(xiang)關(guan)研究成果以“Direct-bonded diamond membranes for heterogeneous quantum and electronic technologies”為題發表于《Nature Communications》。

       / 結論 /

       研究人(ren)員展示了創建基于金剛石的(de)(de)異質材料和(he)技術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)完整工(gong)藝(yi)流程。鍵(jian)合(he)膜(mo)(mo)結(jie)合(he)了同位(wei)(wei)素工(gong)程、原位(wei)(wei)摻(chan)雜和(he)精確(que)的(de)(de)厚度控制(zhi)，同時保持了量子技術(shu)(shu)(shu)所必(bi)需的(de)(de)表面(mian)形貌(mao)、平整度和(he)晶體(ti)質量。我們生(sheng)成的(de)(de)鍵(jian)合(he)連續晶體(ti)膜(mo)(mo)厚度僅為10納米，遠低于之前(qian)的(de)(de)演示，可與最(zui)先(xian)(xian)進的(de)(de)微電子技術(shu)(shu)(shu)中(zhong)的(de)(de)材料幾何形狀(zhuang)相媲美(mei)。HRTEM揭示了有序的(de)(de)亞納米鍵(jian)合(he)界面(mian)，PL 測量表明(ming)所有托管(guan)色心都具有高信噪比，氮空(kong)位(wei)(wei)中(zhong)心保持了類似塊(kuai)體(ti)的(de)(de)自(zi)旋相干(gan)性。該工(gong)藝(yi)與納米結(jie)構(gou)基板兼容，占地(di)面(mian)積小，不(bu)需要鍵(jian)合(he)后蝕刻，從(cong)而確(que)保了預先(xian)(xian)存(cun)在的(de)(de)目標(biao)基板結(jie)構(gou)的(de)(de)完整性。鍵(jian)合(he)膜(mo)(mo)可承(cheng)受多個后續納米制(zhi)造步驟，方法(fa)與包(bao)括晶圓鍵(jian)合(he)在內的(de)(de)標(biao)準半導體(ti)制(zhi)造工(gong)藝(yi)兼容。

       至關(guan)重(zhong)要的(de)(de)是(shi)，通過避(bi)免使用中間粘(zhan)合(he)材(cai)料，研(yan)究人員生成(cheng)了(le)適(shi)(shi)用于量(liang)子(zi)光(guang)(guang)子(zi)學(xue)和(he)量(liang)子(zi)生物傳感(gan)(gan)的(de)(de)最佳材(cai)料異質結構。通過TiO2沉積(ji)或(huo)直接(jie)金剛石圖案化和(he)蝕(shi)刻來(lai)集成(cheng)高品(pin)質因數(shu)納(na)米光(guang)(guang)子(zi)學(xue)，證明(ming)了(le)量(liang)子(zi)光(guang)(guang)子(zi)學(xue)的(de)(de)技術(shu)適(shi)(shi)用性。這(zhe)些基于金剛石的(de)(de)異質結構具有最小的(de)(de)光(guang)(guang)損耗，是(shi)片上納(na)米光(guang)(guang)子(zi)集成(cheng)和(he)自旋光(guang)(guang)子(zi)耦合(he)裝置的(de)(de)理想候選者。此外，證明(ming)了(le)金剛石膜鍵合(he)通過將流動通道與金剛石膜集成(cheng)，為量(liang)子(zi)生物傳感(gan)(gan)和(he)成(cheng)像開辟了(le)新的(de)(de)實驗可能(neng)性。熒光(guang)(guang)分子(zi)和(he) NV?中心的(de)(de)同(tong)時分辨率將能(neng)夠準(zhun)確識(shi)別所需(xu)傳感(gan)(gan)目標(biao)的(de)(de)近端 NV?傳感(gan)(gan)器(qi)。超薄金剛石膜還允許TIRF照明(ming)，大大提高了(le)局部傳感(gan)(gan)目標(biao)的(de)(de)信號對比度(du)，同(tong)時最大限度(du)地減少(shao)了(le)不必要的(de)(de)激光(guang)(guang)激發(fa)。

       該制(zhi)造工藝為量(liang)子技術開辟了廣泛的(de)(de)(de)基于金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)的(de)(de)(de)異質平(ping)(ping)臺(tai)。金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)與(yu) LiNbO3等電(dian)(dian)(dian)光(guang)和壓電(dian)(dian)(dian)材(cai)料的(de)(de)(de)集成(cheng)將(jiang)為片上電(dian)(dian)(dian)可重構非線性(xing)量(liang)子光(guang)子學鋪(pu)平(ping)(ping)道路，并允許研究量(liang)子自(zi)旋聲子相(xiang)(xiang)互作用。金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)鍵合解(jie)鎖了與(yu)其他固態量(liang)子比特、磁共振混合系(xi)統(tong)或超導(dao)平(ping)(ping)臺(tai)的(de)(de)(de)更(geng)多耦合可能性(xing)。此外，將(jiang)這種金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)膜與(yu)已建立的(de)(de)(de)高(gao)(gao)度相(xiang)(xiang)干近表(biao)面 NV ? 中(zhong)心的(de)(de)(de)技術相(xiang)(xiang)結合，將(jiang)產(chan)生超靈(ling)敏(min)的(de)(de)(de)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)探(tan)針，該探(tan)針專(zhuan)為研究分子結合分析、二(er)維二(er)硫屬化(hua)物 (TMD) 和薄膜磁性(xing)材(cai)料而(er)優化(hua)。最后，由于高(gao)(gao)熱導(dao)率、大帶隙和高(gao)(gao)臨界電(dian)(dian)(dian)場，鍵合金(jin)(jin)剛(gang)(gang)石(shi)膜在(zai)高(gao)(gao)功率電(dian)(dian)(dian)子器(qi)件中(zhong)有著(zhu)廣泛的(de)(de)(de)應用。原(yuan)文信(xin)息：Guo, X., Xie, M., Addhya, A. et al. Direct-bonded diamond membranes for heterogeneous quantum and electronic technologies. Nat Commun 15, 8788 (2024). //doi.org/10.1038/s41467-024-53150-3