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合(he)(he)到各種(zhong)材料上，包括硅、熔融(rong)石(shi)英(ying)、藍寶石(shi)、熱氧化物和(he)鈮酸鋰(li)。這種(zhong)鍵合(he)(he)工藝結合(he)(he)了定制(zhi)的(de)膜合(he)(he)成、轉移(yi)和(he)干表(biao)面功能(neng)化，可(ke)最大程度地減少污染，同(tong)時(shi)提供接近統(tong)一產量和(he)可(ke)擴展(zhan)性的(de)途(tu)徑。

       研(yan)究人員(yuan)生(sheng)成的(de)鍵(jian)合(he)(he)晶體膜厚(hou)度(du)低至10納(na)米(mi)，界面區域為(wei)亞納(na)米(mi)，厚(hou)度(du)變(bian)化范圍為(wei) 200 x 200?μm2。測(ce)量(liang)(liang)了(le)(le)150納(na)米(mi)厚(hou)的(de)鍵(jian)合(he)(he)膜中氮(dan)空位中心的(de)自(zi)旋相干(gan)時間T2，高達623 ± 21?μs，適用(yong)于高級量(liang)(liang)子(zi)(zi)應用(yong)。展(zhan)示(shi)(shi)了(le)(le)將高品質(zhi)因(yin)數納(na)米(mi)光(guang)子(zi)(zi)腔(qiang)與(yu)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)異質(zhi)結構集成的(de)多種方法，突(tu)出了(le)(le)該平臺在量(liang)(liang)子(zi)(zi)光(guang)子(zi)(zi)應用(yong)中的(de)多功能性。此外，還展(zhan)示(shi)(shi)了(le)(le)這種超薄金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)膜與(yu)全內反射熒光(guang) (TIRF) 顯微鏡(jing)兼容，這使得相干(gan)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)量(liang)(liang)子(zi)(zi)傳(chuan)感器能夠與(yu)活細(xi)胞連接，同時抑制不需要(yao)的(de)背景發光(guang)。本文(wen)展(zhan)示(shi)(shi)的(de)流程提(ti)供了(le)(le)一套完整的(de)工具(ju)包，用(yong)于合(he)(he)成用(yong)于量(liang)(liang)子(zi)(zi)和電(dian)子(zi)(zi)技術的(de)異質(zhi)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)基混合(he)(he)系(xi)統。

       相關研究成(cheng)果以“Direct-bonded diamond membranes for heterogeneous quantum and electronic technologies”為題發(fa)表(biao)于《Nature Communications》。

       / 結論 /

       研(yan)究人員展示了創建基于金剛石的(de)(de)異質材料(liao)和(he)技(ji)術的(de)(de)完整工藝流程(cheng)。鍵(jian)(jian)合(he)(he)膜結合(he)(he)了同位素(su)工程(cheng)、原(yuan)位摻(chan)雜和(he)精確(que)(que)的(de)(de)厚度(du)(du)(du)控(kong)制，同時保持了量(liang)子(zi)技(ji)術所必需的(de)(de)表(biao)面(mian)形貌、平整度(du)(du)(du)和(he)晶(jing)體質量(liang)。我們生成的(de)(de)鍵(jian)(jian)合(he)(he)連續晶(jing)體膜厚度(du)(du)(du)僅為10納(na)米(mi)，遠低于之前的(de)(de)演示，可與最(zui)先(xian)進的(de)(de)微電子(zi)技(ji)術中的(de)(de)材料(liao)幾何形狀相(xiang)媲美(mei)。HRTEM揭(jie)示了有序的(de)(de)亞納(na)米(mi)鍵(jian)(jian)合(he)(he)界面(mian)，PL 測(ce)量(liang)表(biao)明(ming)所有托管色心(xin)都具有高信噪(zao)比，氮空位中心(xin)保持了類(lei)似(si)塊體的(de)(de)自旋相(xiang)干(gan)性。該工藝與納(na)米(mi)結構(gou)基板兼容，占地面(mian)積小，不(bu)需要鍵(jian)(jian)合(he)(he)后蝕刻，從而確(que)(que)保了預(yu)先(xian)存在的(de)(de)目標(biao)基板結構(gou)的(de)(de)完整性。鍵(jian)(jian)合(he)(he)膜可承受多個后續納(na)米(mi)制造步驟，方法(fa)與包括晶(jing)圓鍵(jian)(jian)合(he)(he)在內(nei)的(de)(de)標(biao)準半導體制造工藝兼容。

       至關重要(yao)的(de)(de)(de)是(shi)，通過(guo)避免使(shi)用中間粘合(he)材料(liao)，研究(jiu)人(ren)員(yuan)生成了適用于(yu)量子(zi)(zi)(zi)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)學和(he)(he)量子(zi)(zi)(zi)生物(wu)傳(chuan)(chuan)感的(de)(de)(de)最(zui)佳(jia)材料(liao)異質(zhi)(zhi)結(jie)構。通過(guo)TiO2沉(chen)積或直接金剛石圖案(an)化和(he)(he)蝕刻(ke)來集成高品質(zhi)(zhi)因數(shu)納米(mi)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)學，證明(ming)了量子(zi)(zi)(zi)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)學的(de)(de)(de)技術適用性(xing)。這些基于(yu)金剛石的(de)(de)(de)異質(zhi)(zhi)結(jie)構具有(you)最(zui)小的(de)(de)(de)光(guang)(guang)損耗，是(shi)片上納米(mi)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)集成和(he)(he)自旋(xuan)光(guang)(guang)子(zi)(zi)(zi)耦合(he)裝置(zhi)的(de)(de)(de)理(li)想候(hou)選者。此外，證明(ming)了金剛石膜鍵合(he)通過(guo)將流(liu)動通道與金剛石膜集成，為量子(zi)(zi)(zi)生物(wu)傳(chuan)(chuan)感和(he)(he)成像開辟了新(xin)的(de)(de)(de)實(shi)驗可能(neng)性(xing)。熒光(guang)(guang)分子(zi)(zi)(zi)和(he)(he) NV?中心的(de)(de)(de)同時(shi)(shi)分辨率將能(neng)夠準確識別所需傳(chuan)(chuan)感目(mu)標的(de)(de)(de)近端(duan) NV?傳(chuan)(chuan)感器。超薄金剛石膜還(huan)允許(xu)TIRF照明(ming)，大(da)大(da)提(ti)高了局(ju)部傳(chuan)(chuan)感目(mu)標的(de)(de)(de)信號對比度(du)，同時(shi)(shi)最(zui)大(da)限度(du)地(di)減少了不必要(yao)的(de)(de)(de)激光(guang)(guang)激發。

       該(gai)制造(zao)工藝為量(liang)(liang)子技(ji)術開辟了廣(guang)泛(fan)的(de)(de)基于(yu)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)的(de)(de)異質平(ping)臺。金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)與 LiNbO3等(deng)電(dian)光(guang)和(he)壓電(dian)材(cai)料的(de)(de)集成將為片上(shang)電(dian)可重(zhong)構(gou)非線性(xing)量(liang)(liang)子光(guang)子學鋪平(ping)道(dao)路，并(bing)允許研(yan)(yan)究量(liang)(liang)子自旋聲(sheng)子相(xiang)互(hu)作用。金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)鍵(jian)合解鎖了與其他固態量(liang)(liang)子比特(te)、磁共(gong)振混(hun)合系統(tong)或超(chao)導平(ping)臺的(de)(de)更多耦合可能性(xing)。此外，將這種金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)膜(mo)(mo)與已建立的(de)(de)高度相(xiang)干近(jin)表面 NV ? 中心的(de)(de)技(ji)術相(xiang)結合，將產生超(chao)靈(ling)敏的(de)(de)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)探針，該(gai)探針專為研(yan)(yan)究分子結合分析(xi)、二維二硫(liu)屬(shu)化(hua)物 (TMD) 和(he)薄膜(mo)(mo)磁性(xing)材(cai)料而優(you)化(hua)。最后，由于(yu)高熱導率(lv)、大(da)帶隙(xi)和(he)高臨界電(dian)場，鍵(jian)合金(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)膜(mo)(mo)在高功率(lv)電(dian)子器(qi)件(jian)中有著廣(guang)泛(fan)的(de)(de)應用。原文(wen)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