金剛石具有適用于各種量子和電子技術(shù)的卓越材料特性。然而，單晶金剛石的異質(zhì)外延生長仍然有限，阻礙了金剛石基技術(shù)的集成和發(fā)展。為此，芝加哥大學的研究人員將單晶金剛石膜直接鍵合到各種材料上，包括硅、熔融石英、藍寶石、熱氧化物和鈮酸鋰。這種鍵合工藝結(jié)合了定制的膜合成、轉(zhuǎn)移和干表面功能化，可最大程度地減少污染，同時提供接近統(tǒng)一產(chǎn)量和可擴展性的途徑。

研究人員生成的鍵合晶體膜厚度低至10納米，界面區(qū)域為亞納米，厚度變化范圍為 200 x 200 μm2。測量了150納米厚的鍵合膜中氮空位中心的自旋相干時間T2，高達623 ± 21 μs，適用于高級量子應用。展示了將高品質(zhì)因數(shù)納米光子腔與金剛石異質(zhì)結(jié)構(gòu)集成的多種方法，突出了該平臺在量子光子應用中的多功能性。此外，還展示了這種超薄金剛石膜與全內(nèi)反射熒光 (TIRF) 顯微鏡兼容，這使得相干金剛石量子傳感器能夠與活細胞連接，同時抑制不需要的背景發(fā)光。本文展示的流程提供了一套完整的工具包，用于合成用于量子和電子技術(shù)的異質(zhì)金剛石基混合系統(tǒng)。

相關(guān)研究成果以“Direct-bonded diamond membranes for heterogeneous quantum and electronic technologies”為題發(fā)表于《Nature Communications》。

/ 圖文導讀 /

圖1. 等離子活化金剛石膜鍵合示意圖。

圖2. 粘合膜的特性。

圖3. 與直接鍵合膜的納米光子集成。

圖4. 流道中的NV −中心和表面附著的目標分子和細胞的成像。

/ 結(jié)論 /

研究人員展示了創(chuàng)建基于金剛石的異質(zhì)材料和技術(shù)的完整工藝流程。鍵合膜結(jié)合了同位素工程、原位摻雜和精確的厚度控制，同時保持了量子技術(shù)所必需的表面形貌、平整度和晶體質(zhì)量。我們生成的鍵合連續(xù)晶體膜厚度僅為10納米，遠低于之前的演示，可與最先進的微電子技術(shù)中的材料幾何形狀相媲美。HRTEM揭示了有序的亞納米鍵合界面，PL 測量表明所有托管色心都具有高信噪比，氮空位中心保持了類似塊體的自旋相干性。該工藝與納米結(jié)構(gòu)基板兼容，占地面積小，不需要鍵合后蝕刻，從而確保了預先存在的目標基板結(jié)構(gòu)的完整性。鍵合膜可承受多個后續(xù)納米制造步驟，方法與包括晶圓鍵合在內(nèi)的標準半導體制造工藝兼容。

至關(guān)重要的是，通過避免使用中間粘合材料，研究人員生成了適用于量子光子學和量子生物傳感的最佳材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過TiO2沉積或直接金剛石圖案化和蝕刻來集成高品質(zhì)因數(shù)納米光子學，證明了量子光子學的技術(shù)適用性。這些基于金剛石的異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有最小的光損耗，是片上納米光子集成和自旋光子耦合裝置的理想候選者。此外，證明了金剛石膜鍵合通過將流動通道與金剛石膜集成，為量子生物傳感和成像開辟了新的實驗可能性。熒光分子和 NV−中心的同時分辨率將能夠準確識別所需傳感目標的近端 NV−傳感器。超薄金剛石膜還允許TIRF照明，大大提高了局部傳感目標的信號對比度，同時最大限度地減少了不必要的激光激發(fā)。

該制造工藝為量子技術(shù)開辟了廣泛的基于金剛石的異質(zhì)平臺。金剛石與 LiNbO3等電光和壓電材料的集成將為片上電可重構(gòu)非線性量子光子學鋪平道路，并允許研究量子自旋聲子相互作用。金剛石鍵合解鎖了與其他固態(tài)量子比特、磁共振混合系統(tǒng)或超導平臺的更多耦合可能性。此外，將這種金剛石膜與已建立的高度相干近表面 NV − 中心的技術(shù)相結(jié)合，將產(chǎn)生超靈敏的金剛石探針，該探針專為研究分子結(jié)合分析、二維二硫?qū)倩?(TMD) 和薄膜磁性材料而優(yōu)化。最后，由于高熱導率、大帶隙和高臨界電場，鍵合金剛石膜在高功率電子器件中有著廣泛的應用。

原文信息：Guo, X., Xie, M., Addhya, A. et al. Direct-bonded diamond membranes for heterogeneous quantum and electronic technologies. Nat Commun 15, 8788 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53150-3