金剛石膜鍵合新工藝：厚度低至10納米，開啟高級(jí)量子應(yīng)用“大門”
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-10-28 14:48:02
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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(guān)注。它不僅具有已知物質(zhì)中最高的硬度、最大的彈性模量、最高的熱導(dǎo)率等優(yōu)異的物理性質(zhì)，還在半導(dǎo)體、光學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的特性，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的材料。隨著技術(shù)的發(fā)展，金剛石薄膜的制備和應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)，其在量子和電子技術(shù)等眾多領(lǐng)域都有著重要的作用。 日前，芝加哥大學(xué)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(shí)現(xiàn)了低污染、高產(chǎn)量的工藝。生成的鍵合晶體膜厚度低至10納米，適用于高級(jí)量子應(yīng)用。展示了金剛石異質(zhì)結(jié)構(gòu)在量子光子、生物傳感及電子技術(shù)中的多功能性，相關(guān)成果發(fā)表于《Nature Communications》。該工藝為量子技術(shù)提供了廣泛的基于金剛石的異質(zhì)平臺(tái)。 金剛石薄膜的來源及發(fā)展 金剛石具有一系列優(yōu)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(chǎng)強(qiáng)，低的介電常數(shù)，寬的光譜透過范圍，極高的熱導(dǎo)率（達(dá)20W/cm·K，是所有材料中最高的），極低的線膨脹系數(shù)，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(xué)穩(wěn)定性。這些性能使得金剛石在眾多領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價(jià)值，例如它是發(fā)展前景頗好的半導(dǎo)體材料，也是最優(yōu)秀的光學(xué)窗口材料，在從紫外到遠(yuǎn)紅外，甚至微波的非常寬的電磁波范圍內(nèi)具有優(yōu)良透過性能。 金剛石薄膜早期制備方法及局限 循環(huán)反應(yīng)法：在1952至1953年之間，美國(guó)Eversole采用循環(huán)反應(yīng)法在600 - 1000℃和10 - 100Pa氣壓下分解含碳?xì)怏w，在金剛石籽晶上生長(zhǎng)出金剛石。但該方法需要金剛石作為襯底，屬于同質(zhì)外延生長(zhǎng)，且循環(huán)過程降低了沉積速率（約1nm/h），應(yīng)用不理想。高溫高壓法（HTHP）：1955年美國(guó)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(yè)上應(yīng)用范圍較廣，可用于切割或加工機(jī)械零部件、拋光或研磨光學(xué)材料等。然而，HTHP法對(duì)設(shè)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(guī)方法鍛造、加工、成型，也無法制成膜狀，限制了金剛石優(yōu)良性能的全面開發(fā)利用。  CVD法的突破與發(fā)展，1968年Angus等人采用低溫低壓化學(xué)氣相沉積法（CVD）在天然金剛石上制備出金剛石薄膜，首次發(fā)現(xiàn)沉積過程中氫原子會(huì)優(yōu)先刻蝕石墨而不是金剛石。1982年Matsumoto等人取得突破性進(jìn)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(huán)反應(yīng)法的沉積與刻蝕交替循環(huán)過程，提高了生長(zhǎng)速率，改善了薄膜質(zhì)量。此后，各種CVD金剛石薄膜制備技術(shù)不斷涌現(xiàn)、改進(jìn)和完善，原子氫在金剛石薄膜生長(zhǎng)中的角色也逐漸被認(rèn)識(shí)，生長(zhǎng)速率趨近工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用 力學(xué)性能及刀具應(yīng)用：金剛石的高硬度、高耐磨性和低摩擦系數(shù)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(zhǎng)壽命、切割速率快、高加工精度和高加工質(zhì)量等優(yōu)越性，比傳統(tǒng)的碳化物工具性能更優(yōu)，在加工非鐵系材料領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。市場(chǎng)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(fù)合材料，特別適宜航空、汽車工業(yè)所用高硅鋁合金材料的切削加工。 聲學(xué)性能及SAW器件應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸需求增加，高頻SAW器件需求增長(zhǎng)。以金剛石膜為襯底的SAW器件研究取得進(jìn)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(jié)構(gòu)的SAW器件，其各項(xiàng)綜合性能不斷改善。人們預(yù)言如果進(jìn)一步改善制備工藝，金剛石膜SAW器件的頻率完全可以達(dá)到10GHz甚至更高，且在功率耐久性、高保真?zhèn)鬏敺矫鎯?yōu)于傳統(tǒng)的SAW濾波器。 在揚(yáng)聲器件震動(dòng)板上沉積金剛石薄膜，可作為高保真揚(yáng)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(zhì)，是高檔音響揚(yáng)聲器的優(yōu)選材料。 熱學(xué)性能與應(yīng)用：現(xiàn)代電子器件與電路向高集成、高速度、多功能、高功耗發(fā)展，芯片熱耗散量大幅增加。金剛石的熱導(dǎo)率高，比熱小，能承受熱沖擊，熱膨脹系數(shù)與硅接近，且具有低介電常數(shù)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(dǎo)熱速率比銅高4倍以上。目前，CVD金剛石膜作為高功率半導(dǎo)體激光二極管的熱沉材料已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，還可應(yīng)用于光通訊、激光二極管等領(lǐng)域的散熱元件制作，如熱學(xué)級(jí)CVD金剛石膜制作的熱擴(kuò)散元件已用于光通訊和軍事工程。 光學(xué)性能與應(yīng)用：金剛石禁帶寬度為5.5eV，從225nm到遠(yuǎn)紅外具有高光譜透過性，加上其高硬度、強(qiáng)度、熱導(dǎo)率及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等，使其成為惡劣環(huán)境下極好的光學(xué)窗口材料，可單獨(dú)做窗口或作為其它材料的窗口涂層。通常紅外光學(xué)窗口材料如ZnS、ZnSe和Ge等存在太脆等缺點(diǎn)，而金剛石具有高的透明性、耐化學(xué)腐蝕性和強(qiáng)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(xué)窗口材料都采用了高生長(zhǎng)速率、高質(zhì)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(yīng)用潛力，此外還可用于可見光學(xué)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(yáng)能電池效率能顯著提高。 電學(xué)性能與應(yīng)用：金剛石禁帶寬度寬，電子和空穴遷移率高，擊穿電場(chǎng)高、介電常數(shù)小、電阻率大、熱導(dǎo)率高，適合高溫、高偏壓、高功率、高輻射條件下的半導(dǎo)體器件應(yīng)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(cè)器和象素列陣探測(cè)器等，研究表明其在高劑量粒子和射線輻照下電學(xué)性能穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的抗輻射能力，能在惡劣環(huán)境下工作，在高能物理實(shí)驗(yàn)裝置、空間帶電粒子測(cè)量、地震預(yù)報(bào)、輻射醫(yī)學(xué)、核技術(shù)等領(lǐng)域有良好應(yīng)用前景。近年來，人們圍繞金剛石的負(fù)電子親和勢(shì)、開關(guān)功能、p型摻雜和n型摻雜等特性開展應(yīng)用研究，如金剛石薄膜是平板顯示用陰極材料的研究熱點(diǎn)，但由于獲得好的n型摻雜比較困難，目前研究重點(diǎn)集中在金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET）和金屬絕緣體場(chǎng)效應(yīng)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(guān)，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(shù)的卓越材料特性，但單晶金剛石的異質(zhì)外延生長(zhǎng)曾受限。芝加哥大學(xué)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(lán)寶石、熱氧化物和鈮酸鋰等。該鍵合工藝結(jié)合定制的膜合成、轉(zhuǎn)移和干表面功能化，減少污染，提供高產(chǎn)量和可擴(kuò)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(qū)域?yàn)閬喖{米，厚度變化范圍小。測(cè)量的150納米厚鍵合膜中氮空位中心的自旋相干時(shí)間T2高達(dá)623 ± 21μs，適用于高級(jí)量子應(yīng)用。他們展示了將高品質(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，以及超薄金剛石膜與全內(nèi)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(xì)胞連接并抑制背景發(fā)光。      此流程提供了完整工具包，用于合成量子和電子技術(shù)的異質(zhì)金剛石基混合系統(tǒng)。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，保持了量子技術(shù)所需的表面形貌、平整度和晶體質(zhì)量。HRTEM揭示了有序的亞納米鍵合界面，PL測(cè)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，確保了目標(biāo)基板結(jié)構(gòu)的完整性。鍵合膜可承受多個(gè)后續(xù)納米制造步驟，與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)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(xué)和量子生物傳感的最佳材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過TiO?沉積或直接金剛石圖案化和蝕刻集成高品質(zhì)因數(shù)納米光子學(xué)，證明了量子光子學(xué)的技術(shù)適用性。這些基于金剛石的異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(dòng)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(shí)驗(yàn)可能性，熒光分子和NV−中心的同時(shí)分辨率能準(zhǔn)確識(shí)別所需傳感目標(biāo)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(biāo)的信號(hào)對(duì)比度，同時(shí)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(tái)。金剛石與LiNbO?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(xué)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(dǎo)平臺(tái)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)倩铮═MD）和薄膜磁性材料而優(yōu)化。最后，由于高熱導(dǎo)率、大帶隙和高臨界電場(chǎng)，鍵合金剛石膜在高功率電子器件中也有廣泛應(yīng)用前景。 小結(jié) 金剛石薄膜憑借其優(yōu)異的性能和多樣的制備方法，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力和價(jià)值。從傳統(tǒng)的工業(yè)加工到現(xiàn)代的量子技術(shù)、電子器件、光學(xué)通信等領(lǐng)域，金剛石薄膜都發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，金剛石薄膜的制備工藝將不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步拓展，為推動(dòng)科技發(fā)展和工業(yè)進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)。同時(shí)，我們也需要不斷攻克技術(shù)難題，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，以滿足不同領(lǐng)域?qū)饎偸∧と找嬖鲩L(zhǎng)的需求，實(shí)現(xiàn)其更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。未來，金剛石薄膜有望在更多新興領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，為人類的科技和生活帶來更多的創(chuàng)新和變革。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_560380.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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