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金剛石膜鍵合新工藝：厚度低至10納米，開啟高級量子應用“大門”

文章來源：賢集網更新時間：2024-10-28 14:48:02

金剛石作為自然界中特殊的材料，因其卓越的性能一直備受關注。它不僅具有已知物質中最高的硬度、最大的彈性模量、最高的熱導率等優異的物理性質，還在半導體、光學等領域展現出良好的特性，是一種具有廣闊應用前景的材料。隨著技術的發展，金剛石薄膜的制備和應用成為研究的熱點，其在量子和電子技術等眾多領域都有著重要的作用。

日前，芝加哥大學研究人員將單晶金剛石膜直接鍵合到多種材料上，包括硅等，實現了低污染、高產量的工藝。生成的鍵合晶體膜厚度低至10納米，適用于高級量子應用。展示了金剛石異質結構在量子光子、生物傳感及電子技術中的多功能性，相關成果發表于《Nature Communications》。該工藝為量子技術提供了廣泛的基于金剛石的異質平臺。

金剛石薄膜的來源及發展

金剛石具有一系列優異的性能，包括極高的硬度（100GPa，是目前已知材料中最大的）、彈性模量和耐磨性，極高的電阻率、擊穿場強，低的介電常數，寬的光譜透過范圍，極高的熱導率（達20W/cm·K，是所有材料中最高的），極低的線膨脹系數，很寬的禁帶寬度（5.5eV），極高的載流子遷移率以及非常好的化學穩定性。這些性能使得金剛石在眾多領域都有潛在的應用價值，例如它是發展前景頗好的半導體材料，也是最優秀的光學窗口材料，在從紫外到遠紅外，甚至微波的非常寬的電磁波范圍內具有優良透過性能。

金剛石薄膜早期制備方法及局限

循環反應法：在1952至1953年之間，美國Eversole采用循環反應法在600 - 1000℃和10 - 100Pa氣壓下分解含碳氣體，在金剛石籽晶上生長出金剛石。但該方法需要金剛石作為襯底，屬于同質外延生長，且循環過程降低了沉積速率（約1nm/h），應用不理想。高溫高壓法（HTHP）：1955年美國通用電器公司（GE）首次采用此方法制造出人造金剛石。人造金剛石因硬度和耐磨性在工業上應用范圍較廣，可用于切割或加工機械零部件、拋光或研磨光學材料等。然而，HTHP法對設備要求苛刻，成本高，制造出的人造金剛石是尺寸在納米到毫米之間的小單晶顆粒，不能用常規方法鍛造、加工、成型，也無法制成膜狀，限制了金剛石優良性能的全面開發利用。

CVD法的突破與發展，1968年Angus等人采用低溫低壓化學氣相沉積法（CVD）在天然金剛石上制備出金剛石薄膜，首次發現沉積過程中氫原子會優先刻蝕石墨而不是金剛石。1982年Matsumoto等人取得突破性進展，他們使用熱絲（約2000℃）活化熱絲附近的氫和碳化合物，使金剛石沉積到與熱絲相距10mm的非金剛石襯底上，免去了循環反應法的沉積與刻蝕交替循環過程，提高了生長速率，改善了薄膜質量。此后，各種CVD金剛石薄膜制備技術不斷涌現、改進和完善，原子氫在金剛石薄膜生長中的角色也逐漸被認識，生長速率趨近工業化標準要求。此外，除了CVD法，物理氣相沉積法（PVD）也能沉積金剛石薄膜。

金剛石薄膜的性能及應用

力學性能及刀具應用：金剛石的高硬度、高耐磨性和低摩擦系數使其成為極好的工具材料。將金剛石薄膜直接沉積到刀具表面，可制備出不同幾何形狀的金剛石涂膜刀具，具有長壽命、切割速率快、高加工精度和高加工質量等優越性，比傳統的碳化物工具性能更優，在加工非鐵系材料領域應用前景廣闊。市場上已有用切割的金剛石厚膜做的鑲嵌刀具和金剛石膜涂覆的刀具銷售，成功用于切削有色、稀有金屬、石墨及復合材料，特別適宜航空、汽車工業所用高硅鋁合金材料的切削加工。

聲學性能及SAW器件應用：金剛石具有大的彈性模量和楊氏模量，是體聲波及表面聲波速度最快的材料。隨著大容量數據傳輸需求增加，高頻SAW器件需求增長。以金剛石膜為襯底的SAW器件研究取得進展，通過在金剛石薄膜襯底上沉積不同壓電材料，形成了如ZnO/diamond/Si、Si02/ZnO/diamond/Si等結構的SAW器件，其各項綜合性能不斷改善。人們預言如果進一步改善制備工藝，金剛石膜SAW器件的頻率完全可以達到10GHz甚至更高，且在功率耐久性、高保真傳輸方面優于傳統的SAW濾波器。

在揚聲器件震動板上沉積金剛石薄膜，可作為高保真揚聲器高音單元的振膜，因其具有較大的聲速和楊氏模量，能締造無與倫比的清澈、高保真音質，是高檔音響揚聲器的優選材料。

熱學性能與應用：現代電子器件與電路向高集成、高速度、多功能、高功耗發展，芯片熱耗散量大幅增加。金剛石的熱導率高，比熱小，能承受熱沖擊，熱膨脹系數與硅接近，且具有低介電常數和高電阻率等特性，是最理想的散熱和熱沉封裝材料。在常溫下，其導熱速率比銅高4倍以上。目前，CVD金剛石膜作為高功率半導體激光二極管的熱沉材料已實現商業化，還可應用于光通訊、激光二極管等領域的散熱元件制作，如熱學級CVD金剛石膜制作的熱擴散元件已用于光通訊和軍事工程。

光學性能與應用：金剛石禁帶寬度為5.5eV，從225nm到遠紅外具有高光譜透過性，加上其高硬度、強度、熱導率及良好的化學穩定性等，使其成為惡劣環境下極好的光學窗口材料，可單獨做窗口或作為其它材料的窗口涂層。通常紅外光學窗口材料如ZnS、ZnSe和Ge等存在太脆等缺點，而金剛石具有高的透明性、耐化學腐蝕性和強抗熱沖擊能力，是較理想的紅外窗口材料。目前許多紅外光學窗口材料都采用了高生長速率、高質量的自支撐金剛石膜。金剛石薄膜作為紅外器件的涂覆層有應用潛力，此外還可用于可見光學窗口以及X射線光刻掩模材料等。涂覆有金剛石薄膜的鍺太陽能電池效率能顯著提高。

電學性能與應用：金剛石禁帶寬度寬，電子和空穴遷移率高，擊穿電場高、介電常數小、電阻率大、熱導率高，適合高溫、高偏壓、高功率、高輻射條件下的半導體器件應用，有望取代硅。歐洲RD42研究組采用CVD金剛石薄膜獲得了微條狀列陣探測器和象素列陣探測器等，研究表明其在高劑量粒子和射線輻照下電學性能穩定，具有很強的抗輻射能力，能在惡劣環境下工作，在高能物理實驗裝置、空間帶電粒子測量、地震預報、輻射醫學、核技術等領域有良好應用前景。近年來，人們圍繞金剛石的負電子親和勢、開關功能、p型摻雜和n型摻雜等特性開展應用研究，如金剛石薄膜是平板顯示用陰極材料的研究熱點，但由于獲得好的n型摻雜比較困難，目前研究重點集中在金屬半導體場效應晶體管（MESFET）和金屬絕緣體場效應晶體管（MISFET）上。CVD金剛石薄膜還可用于制備高偏壓作用下的快速光開關，具有航天、軍事用途。

金剛石膜新突破：鍵合晶體膜厚度低至10納米

金剛石具有適用于各種量子和電子技術的卓越材料特性，但單晶金剛石的異質外延生長曾受限。芝加哥大學的研究人員將單晶金剛石膜直接鍵合到多種材料上，如硅、熔融石英、藍寶石、熱氧化物和鈮酸鋰等。該鍵合工藝結合定制的膜合成、轉移和干表面功能化，減少污染，提供高產量和可擴展性途徑。

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，厚度變化范圍小。測量的150納米厚鍵合膜中氮空位中心的自旋相干時間T2高達623 ± 21μs，適用于高級量子應用。他們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，以及超薄金剛石膜與全內反射熒光（TIRF）顯微鏡的兼容性，使相干金剛石量子傳感器能與活細胞連接并抑制背景發光。

此流程提供了完整工具包，用于合成量子和電子技術的異質金剛石基混合系統。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，保持了量子技術所需的表面形貌、平整度和晶體質量。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，確保了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，與標準半導體制造工藝兼容。

通過避免使用中間粘合材料，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TiO?沉積或直接金剛石圖案化和蝕刻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光損耗小，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，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−中心的同時分辨率能準確識別所需傳感目標的近端NV−傳感器。超薄金剛石膜允許TIRF照明，提高了局部傳感目標的信號對比度，同時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LiNbO?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也有廣泛應用前景。

小結

金剛石薄膜憑借其優異的性能和多樣的制備方法，在眾多領域展現出了巨大的應用潛力和價值。從傳統的工業加工到現代的量子技術、電子器件、光學通信等領域，金剛石薄膜都發揮著重要作用。隨著技術的不斷進步和研究的深入，金剛石薄膜的制備工藝將不斷完善，應用領域也將進一步拓展，為推動科技發展和工業進步做出更大的貢獻。同時，我們也需要不斷攻克技術難題，提高生產效率和產品質量，以滿足不同領域對金剛石薄膜日益增長的需求，實現其更廣泛的應用和發展。未來，金剛石薄膜有望在更多新興領域發揮關鍵作用，為人類的科技和生活帶來更多的創新和變革。

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