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金刚石膜键合新工艺：厚度低至10纳米，开启高级量子应用“大门”

文章来源：贤集网更新时间：2024-10-28 14:48:02

金刚石作为自然界中特殊的材料，因其卓越的性能一直备受关注。它不仅具有已知物质中最高的硬度、最大的弹性模量、最高的热导率等优异的物理性质，还在半导体、光学等领域展现出良好的特性，是一种具有广阔应用前景的材料。随着技术的发展，金刚石薄膜的制备和应用成为研究的热点，其在量子和电子技术等众多领域都有着重要的作用。

日前，芝加哥大学研究人员将单晶金刚石膜直接键合到多种材料上，包括硅等，实现了低污染、高产量的工艺。生成的键合晶体膜厚度低至10纳米，适用于高级量子应用。展示了金刚石异质结构在量子光子、生物传感及电子技术中的多功能性，相关成果发表于《Nature Communications》。该工艺为量子技术提供了广泛的基于金刚石的异质平台。

金刚石薄膜的来源及发展

金刚石具有一系列优异的性能，包括极高的硬度（100GPa，是目前已知材料中最大的）、弹性模量和耐磨性，极高的电阻率、击穿场强，低的介电常数，宽的光谱透过范围，极高的热导率（达20W/cm·K，是所有材料中最高的），极低的线膨胀系数，很宽的禁带宽度（5.5eV），极高的载流子迁移率以及非常好的化学稳定性。这些性能使得金刚石在众多领域都有潜在的应用价值，例如它是发展前景颇好的半导体材料，也是最优秀的光学窗口材料，在从紫外到远红外，甚至微波的非常宽的电磁波范围内具有优良透过性能。

金刚石薄膜早期制备方法及局限

循环反应法：在1952至1953年之间，美国Eversole采用循环反应法在600 - 1000℃和10 - 100Pa气压下分解含碳气体，在金刚石籽晶上生长出金刚石。但该方法需要金刚石作为衬底，属于同质外延生长，且循环过程降低了沉积速率（约1nm/h），应用不理想。高温高压法（HTHP）：1955年美国通用电器公司（GE）首次采用此方法制造出人造金刚石。人造金刚石因硬度和耐磨性在工业上应用范围较广，可用于切割或加工机械零部件、抛光或研磨光学材料等。然而，HTHP法对设备要求苛刻，成本高，制造出的人造金刚石是尺寸在纳米到毫米之间的小单晶颗粒，不能用常规方法锻造、加工、成型，也无法制成膜状，限制了金刚石优良性能的全面开发利用。

CVD法的突破与发展，1968年Angus等人采用低温低压化学气相沉积法（CVD）在天然金刚石上制备出金刚石薄膜，首次发现沉积过程中氢原子会优先刻蚀石墨而不是金刚石。1982年Matsumoto等人取得突破性进展，他们使用热丝（约2000℃）活化热丝附近的氢和碳化合物，使金刚石沉积到与热丝相距10mm的非金刚石衬底上，免去了循环反应法的沉积与刻蚀交替循环过程，提高了生长速率，改善了薄膜质量。此后，各种CVD金刚石薄膜制备技术不断涌现、改进和完善，原子氢在金刚石薄膜生长中的角色也逐渐被认识，生长速率趋近工业化标准要求。此外，除了CVD法，物理气相沉积法（PVD）也能沉积金刚石薄膜。

金刚石薄膜的性能及应用

力学性能及刀具应用：金刚石的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数使其成为极好的工具材料。将金刚石薄膜直接沉积到刀具表面，可制备出不同几何形状的金刚石涂膜刀具，具有长寿命、切割速率快、高加工精度和高加工质量等优越性，比传统的碳化物工具性能更优，在加工非铁系材料领域应用前景广阔。市场上已有用切割的金刚石厚膜做的镶嵌刀具和金刚石膜涂覆的刀具销售，成功用于切削有色、稀有金属、石墨及复合材料，特别适宜航空、汽车工业所用高硅铝合金材料的切削加工。

声学性能及SAW器件应用：金刚石具有大的弹性模量和杨氏模量，是体声波及表面声波速度最快的材料。随着大容量数据传输需求增加，高频SAW器件需求增长。以金刚石膜为衬底的SAW器件研究取得进展，通过在金刚石薄膜衬底上沉积不同压电材料，形成了如ZnO/diamond/Si、Si02/ZnO/diamond/Si等结构的SAW器件，其各项综合性能不断改善。人们预言如果进一步改善制备工艺，金刚石膜SAW器件的频率完全可以达到10GHz甚至更高，且在功率耐久性、高保真传输方面优于传统的SAW滤波器。

在扬声器件震动板上沉积金刚石薄膜，可作为高保真扬声器高音单元的振膜，因其具有较大的声速和杨氏模量，能缔造无与伦比的清澈、高保真音质，是高档音响扬声器的优选材料。

热学性能与应用：现代电子器件与电路向高集成、高速度、多功能、高功耗发展，芯片热耗散量大幅增加。金刚石的热导率高，比热小，能承受热冲击，热膨胀系数与硅接近，且具有低介电常数和高电阻率等特性，是最理想的散热和热沉封装材料。在常温下，其导热速率比铜高4倍以上。目前，CVD金刚石膜作为高功率半导体激光二极管的热沉材料已实现商业化，还可应用于光通讯、激光二极管等领域的散热元件制作，如热学级CVD金刚石膜制作的热扩散元件已用于光通讯和军事工程。

光学性能与应用：金刚石禁带宽度为5.5eV，从225nm到远红外具有高光谱透过性，加上其高硬度、强度、热导率及良好的化学稳定性等，使其成为恶劣环境下极好的光学窗口材料，可单独做窗口或作为其它材料的窗口涂层。通常红外光学窗口材料如ZnS、ZnSe和Ge等存在太脆等缺点，而金刚石具有高的透明性、耐化学腐蚀性和强抗热冲击能力，是较理想的红外窗口材料。目前许多红外光学窗口材料都采用了高生长速率、高质量的自支撑金刚石膜。金刚石薄膜作为红外器件的涂覆层有应用潜力，此外还可用于可见光学窗口以及X射线光刻掩模材料等。涂覆有金刚石薄膜的锗太阳能电池效率能显著提高。

电学性能与应用：金刚石禁带宽度宽，电子和空穴迁移率高，击穿电场高、介电常数小、电阻率大、热导率高，适合高温、高偏压、高功率、高辐射条件下的半导体器件应用，有望取代硅。欧洲RD42研究组采用CVD金刚石薄膜获得了微条状列阵探测器和象素列阵探测器等，研究表明其在高剂量粒子和射线辐照下电学性能稳定，具有很强的抗辐射能力，能在恶劣环境下工作，在高能物理实验装置、空间带电粒子测量、地震预报、辐射医学、核技术等领域有良好应用前景。近年来，人们围绕金刚石的负电子亲和势、开关功能、p型掺杂和n型掺杂等特性开展应用研究，如金刚石薄膜是平板显示用阴极材料的研究热点，但由于获得好的n型掺杂比较困难，目前研究重点集中在金属半导体场效应晶体管（MESFET）和金属绝缘体场效应晶体管（MISFET）上。CVD金刚石薄膜还可用于制备高偏压作用下的快速光开关，具有航天、军事用途。

金刚石膜新突破：键合晶体膜厚度低至10纳米

金刚石具有适用于各种量子和电子技术的卓越材料特性，但单晶金刚石的异质外延生长曾受限。芝加哥大学的研究人员将单晶金刚石膜直接键合到多种材料上，如硅、熔融石英、蓝宝石、热氧化物和铌酸锂等。该键合工艺结合定制的膜合成、转移和干表面功能化，减少污染，提供高产量和可扩展性途径。

研究人员生成的键合晶体膜厚度低至10纳米，界面区域为亚纳米，厚度变化范围小。测量的150纳米厚键合膜中氮空位中心的自旋相干时间T2高达623 ± 21μs，适用于高级量子应用。他们展示了将高品质因数纳米光子腔与金刚石异质结构集成的多种方法，以及超薄金刚石膜与全内反射荧光（TIRF）显微镜的兼容性，使相干金刚石量子传感器能与活细胞连接并抑制背景发光。

此流程提供了完整工具包，用于合成量子和电子技术的异质金刚石基混合系统。研究人员展示了创建基于金刚石的异质材料和技术的完整工艺流程，键合膜结合了同位素工程、原位掺杂和精确的厚度控制，保持了量子技术所需的表面形貌、平整度和晶体质量。HRTEM揭示了有序的亚纳米键合界面，PL测量表明所有托管色心都具有高信噪比，氮空位中心保持了类似块体的自旋相干性。该工艺与纳米结构基板兼容，占地面积小，不需要键合后蚀刻，确保了目标基板结构的完整性。键合膜可承受多个后续纳米制造步骤，与标准半导体制造工艺兼容。

通过避免使用中间粘合材料，生成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TiO?沉积或直接金刚石图案化和蚀刻集成高品质因数纳米光子学，证明了量子光子学的技术适用性。这些基于金刚石的异质结构光损耗小，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，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−中心的同时分辨率能准确识别所需传感目标的近端NV−传感器。超薄金刚石膜允许TIRF照明，提高了局部传感目标的信号对比度，同时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LiNbO?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。金刚石键合解锁了与其他固态量子比特、磁共振混合系统或超导平台的更多耦合可能性。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也有广泛应用前景。

小结

金刚石薄膜凭借其优异的性能和多样的制备方法，在众多领域展现出了巨大的应用潜力和价值。从传统的工业加工到现代的量子技术、电子器件、光学通信等领域，金刚石薄膜都发挥着重要作用。随着技术的不断进步和研究的深入，金刚石薄膜的制备工艺将不断完善，应用领域也将进一步拓展，为推动科技发展和工业进步做出更大的贡献。同时，我们也需要不断攻克技术难题，提高生产效率和产品质量，以满足不同领域对金刚石薄膜日益增长的需求，实现其更广泛的应用和发展。未来，金刚石薄膜有望在更多新兴领域发挥关键作用，为人类的科技和生活带来更多的创新和变革。

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