金刚石键合技术可以改善量子电子学和传统电子学

人造钻石坚固耐用、惰性强、导热性好、化学性能优良，是量子和传统电子产品的首选材料。但有一个问题。钻石只喜欢钻石。

它是同质外延的，这意味着它只能在其他钻石上生长，而将钻石集成到量子或传统计算机、量子传感器、手机或其他设备中意味着牺牲钻石的全部潜力或使用大量昂贵的贵重材料。

“就材料特性而言，金刚石独树一帜，无论是在电子领域(具有宽禁带、极佳的热导率和出色的介电强度，还是在量子技术领域(它拥有氮空位中心，这是室温下量子传感的黄金标准，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME助理教授AlexHigh说道。“但作为一个平台，它实际上相当糟糕。”

芝加哥大学工程与机械工程学院高等实验室和阿贡国家实验室最近在《自然通讯》上发表的一篇论文解决了金刚石研究人员面临的一个主要障碍，通过一种新颖的方式将金刚石直接结合到可以轻松与量子或传统电子产品集成的材料上。

“我们对金刚石和载体基片进行了表面处理，使它们彼此之间非常有吸引力。通过确保表面粗糙度，两个非常平坦的表面将结合在一起，”第一作者郭星汉(XinghanGuo说道，他于春季从芝加哥大学工程医学专业获得博士学位。

“退火工艺增强了结合力，使其变得非常坚固。这就是为什么我们的钻石能够经受住各种纳米加工工艺。它使我们的工艺有别于简单地将钻石放置在另一种材料之上。”

利用这种技术，研究团队直接将金刚石与硅、熔融石英、蓝宝石、热氧化物和铌酸锂等材料结合在一起，无需使用中间物质作为“胶水”。

研究团队没有采用通常用于研究量子量子比特的几百微米厚的块状金刚石，而是将晶体膜粘合在一起，厚度只有100纳米，同时仍保持着适用于高级量子应用的自旋相干性。

完美缺陷

与珠宝商不同，量子研究人员更喜欢有轻微瑕疵的钻石。通过精确设计晶格中的缺陷，研究人员可以创建出适用于量子计算、量子传感和其他应用的耐用量子比特。

“金刚石是一种宽带隙材料。它是惰性的。实际上，它表现得非常好，具有很好的热性能和电子性能，”论文合著者F.JosephHeremans说道，他同时在芝加哥大学物理与电子工程系和阿贡国家实验室任职。“它的原始物理特性符合许多标准，对许多不同领域都有好处。到目前为止，它很难与不同的材料整合在一起。”

芝加哥大学物理与机械工程学院高级实验室和阿贡国家实验室的一篇新论文展示了一种将钻石直接粘合到材料上的新方法，这种方法很容易与量子或传统电子产品集成。此处的透射电子显微镜图像显示了纳米级、厚度为10纳米的钻石膜(右侧与蓝宝石(左侧的粘合。图片来源：Guo等人

然而，由于此前很难将薄金刚石膜直接集成到设备中，因此需要更大但仍然非常微小的材料块。论文合著者、芝加哥大学工程系四年级学生AveryLinder把用这些金刚石制造灵敏的量子设备比作用一整块切达干酪制作一个烤奶酪三明治。

芝加哥大学工程与机械工程助理教授PeterMaurer是该论文的共同作者，他致力于量子生物传感研究，利用革命性的量子技术在微观和纳米尺度上对基本生物过程的运作进行更好、更准确的测量。

“尽管我们已经克服了将完整生物目标与基于金刚石的量子传感器连接起来的诸多挑战，但将它们集成到实际的测量设备(如商用显微镜或诊断设备中，同时不损失读出效率，仍然是一个突出的挑战。”莫瑞尔说。

“亚历克斯实验室领导的这项有关金刚石膜粘合的新研究解决了许多此类问题，使我们向应用迈出了重要的一步。”

粘性钻石

在钻石中，每个碳原子都与其他四个碳原子共享电子。这些共享电子的键称为共价键，它们构成了宝石坚硬、耐用的内部结构。

但如果附近没有其他碳原子可以共享电子，就会在寻找伙伴的孤独原子上形成所谓的“悬空键”。通过创建充满这些悬空键的金刚石表面，该团队可以将纳米级金刚石晶片直接粘合到其他表面上。

“你几乎可以把它想象成一个粘性表面，因为它想要附着在其他东西上，”林德说。“所以基本上，我们所做的就是创造粘性表面并将它们组合在一起。”

研究人员已为该工艺申请了专利，并通过芝加哥大学波尔斯基创业与创新中心将其商业化。

林德说：“这项新技术有可能极大地影响我们进行量子甚至手机或计算机制造的方式。”

High将新的金刚石技术与多年来互补金属氧化物半导体(CMOS的进步进行了比较，从20世纪40年代实验室中笨重的单个晶体管到今天充斥在计算机和手机中的强大、微型集成电路。

他说：“我们希望，我们生成这些薄膜并以可扩展的方式将它们集成起来的能力，能够为基于钻石的量子技术带来类似CMOS式的革命。”