金刚石具备适用于各类量子与电子技术的出色材料特性。不过，单晶金刚石的异质外延生长目前仍受到一定限制，这对金刚石基技术的集成与发展形成了阻碍。鉴于此，芝加哥大学的研究人员把单晶金刚石膜直接与多种材料进行键合，涵盖硅、熔融石英、蓝宝石、热氧化物以及铌酸锂等。该键合工艺融合了定制化的膜合成、转移以及干表面功能化，能够最大限度地降低污染，同时为接近统一产量及可扩展性提供了途径。
研究人员所生成的键合晶体膜厚度可低至 10 纳米，界面区域处于亚纳米级别，厚度变化范围为 200×200μm²。对 150 纳米厚的键合膜中的氮空位中心自旋相干时间 T2 进行测量，其高达 623±21μs，适用于高端量子应用。展示了将高品质因数纳米光子腔与金刚石异质结构进行集成的多种方式，凸显了该平台在量子光子应用中的多用途性。此外，还呈现了这种超薄金刚石膜与全内反射荧光（TIRF）显微镜的兼容性，这使得相干金刚石量子传感器能够与活细胞相连接，同时抑制不必要的背景发光。本文所展示的流程提供了一整套工具，用于合成面向量子和电子技术的异质金刚石基混合系统。
研究人员展现出了创建基于金刚石的异质材料与技术的完整工艺流程。键合膜整合了同位素工程、原位掺杂以及精确的厚度把控，同时维持了量子技术所需的表面形貌、平整度与晶体质量。我们所生成的键合连续晶体膜厚度仅为 10 纳米，远低于此前的展示，能够与最先进的微电子技术中的材料几何形状相媲美。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）揭示出有序的亚纳米键合界面，光致发光（PL）测量表明所有托管色心都具有高信噪比，氮空位中心保持着类似块状的自旋相干性。该工艺与纳米结构基板相兼容，占地面积小，无需键合后蚀刻，从而确保了预先存在的目标基板结构的完整性。键合膜能够承受多个后续纳米制造步骤，其方法与包括晶圆键合在内的标准半导体制造工艺相兼容。
至关重要的是，通过避免使用中间粘合材料，研究人员创造出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 沉积或直接进行金刚石图案化与蚀刻来集成高品质因数纳米光子学，证实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极小的光损耗，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，还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全内反射荧光（TIRF）照明，极大地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。金刚石键合开启了与其他固态量子比特、磁共振混合系统或超导平台更多的耦合可能性。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。
相关研究成果以“Direct-bonded diamond membranes for heterogeneous quantum and electronic technologies”为题发表于《Nature Communications》。
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
