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。這種鍵合工藝結合了定制的膜合成、轉移和干表面功能化，可最大程度地減少污染，同時提供接近統一產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。展示了將高品質因數納米光子腔與金剛石異質結構集成的多種方法，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的異質金剛石基混合系統。

相關研究成果以“Direct-bonded diamond membranes for heterogeneous quantum and electronic technologies”為題發表于《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。

/ 結論 /

研究人員展示了創建基于金剛石的異質材料和技術的完整工藝流程。鍵合膜結合了同位素工程、原位摻雜和精確的厚度控制，同時保持了量子技術所必需的表面形貌、平整度和晶體質量。我們生成的鍵合連續晶體膜厚度僅為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。該工藝與納米結構基板兼容，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構的完整性。鍵合膜可承受多個后續納米制造步驟，方法與包括晶圓鍵合在內的標準半導體制造工藝兼容。

至關重要的是，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結構。通過TiO2沉積或直接金剛石圖案化和蝕刻來集成高品質因數納米光子學，證明了量子光子學的技術適用性。這些基于金剛石的異質結構具有最小的光損耗，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。

該制造工藝為量子技術開辟了廣泛的基于金剛石的異質平臺。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量子比特、磁共振混合系統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 − 中心的技術相結合，將產生超靈敏的金剛石探針，該探針專為研究分子結合分析、二維二硫屬化物 (TMD) 和薄膜磁性材料而優化。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