[論文レビュー] Direct-bonded diamond membranes for heterogeneous quantum and electronic technologies

Xinghan Guo, Mouzhe Xie+17 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2023

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、カスタム膜合成、転写、ドライ表面修飾を用いて、シリコン、 sapphire、ニオブ酸リチウムを含む多様な基板に、10 nmという極めて薄い単結晶ダイヤモンド膜を直接接合する技術を提示する。この手法は、ほぼ100％の収率、ナノメートル未満の界面領域を達成し、窒素空位中心のスピン量子相干時間は623(21) μsに達し、量子センシングおよびナノフォトニクス分野への応用を想定したスケーラブルな量子およびエレクトロニクスヘテロ構造の実現を可能にする。

ABSTRACT

Diamond has superlative material properties for a broad range of quantum and electronic technologies. However, heteroepitaxial growth of single crystal diamond remains limited, impeding integration and evolution of diamond-based technologies. Here, we directly bond single-crystal diamond membranes to a wide variety of materials including silicon, fused silica, sapphire, thermal oxide, and lithium niobate. Our bonding process combines customized membrane synthesis, transfer, and dry surface functionalization, allowing for minimal contamination while providing pathways for near unity yield and scalability. We generate bonded crystalline membranes with thickness as low as 10 nm, sub-nm interfacial regions, and nanometer-scale thickness variability over 200 by 200 $μm^2$ areas. We measure spin coherence times $T_2$ for nitrogen-vacancy centers in bonded membranes of up to 623(21) $μ$s, suitable for advanced quantum applications. We demonstrate multiple methods for integrating high quality factor nanophotonic cavities with the diamond heterostructures, highlighting the platform versatility in quantum photonic applications. Furthermore, we show that our ultra-thin diamond membranes are compatible with total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy, which enables interfacing coherent diamond quantum sensors with living cells while rejecting unwanted background luminescence. The processes demonstrated herein provide a full toolkit to synthesize heterogeneous diamond-based hybrid systems for quantum and electronic technologies.

研究の動機と目的

• 量子およびエレクトロニクスデバイスにおける統合を妨げるヘテロエpitaxialダイヤモンド成長の制限を克服すること。
• シリコン、融けた石英、 sapphire、熱酸化シリコン、ニオブ酸リチウムを含む多様な材料に、単結晶ダイヤモンド膜をスケーラブルかつ不純物を最小限に抑えた接合プロセスを開発すること。
• 接合されたダイヤモンド膜において、200 × 200 μm²の広範囲にわたり、ナノメートル未満の界面制御と均一な厚さを達成すること。
• 高品質なファクターを有するナノフォトニクスキャビティと統合し、ライブセル量子センシングに適した全内反射蛍光（TIRF）顕微鏡法と併用可能な技術を実現すること。
• 先進的な量子およびエレクトロニクス応用を想定した、異種ダイヤモンドベースのハイブリッドシステムを構築するための包括的ツールキットを確立すること。

提案手法

• 化学気相成長と選択的エッチングを用いた、10 nmまでの単結晶ダイヤモンド膜のカスタム合成。
• ダイヤモンドおよび基板表面のドライ表面修飾により、中間層を必要とせず、強固でクリーンな共有結合を形成する。
• 接触を避け、ドライ転写技術を用いてダイヤモンド膜を高精度でターゲット基板に転写・整列させ、不純物の低減を図る。
• 最適化された表面処理を用いて、200 × 200 μm²の領域で、ナノメートル未満の粗さと均一な厚さを持つ界面領域を実現する。
• 電子ビームリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、ナノフォトニクスキャビティとダイヤモンドヘテロ構造を統合し、高品質因子を達成する。
• 接合された膜の低厚さと高い透過性を活かして、全内反射蛍光（TIRF）顕微鏡法との適合性を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超薄型で単結晶のダイヤモンド膜を、不純物界面が最小限で、高収率で多様な基板に直接接合可能か？
• RQ2 多様な基板上に直接接合されたダイヤモンド膜における窒素空位中心の最大スピン量子相干時間（T₂）はどの程度達成可能か？
• RQ3 高品質因子を有するナノフォトニクスキャビティは、接合されたダイヤモンドヘテロ構造とどの程度統合可能か？量子フォトニクス応用に適しているか？
• RQ4 接合されたダイヤモンド膜は、バックグラウンド発光を効果的に抑制することで、全内反射蛍光（TIRF）顕微鏡法を有効にサポートできるか？
• RQ5 この直接接合プロセスは、異なる材料および膜厚に対してどの程度スケーラブルかつ再現可能か？

主な発見

• 直接接合プロセスは、シリコン、 sapphire、融けた石英、熱酸化シリコン、ニオブ酸リチウムを含む複数の基板でほぼ100％の収率とスケーラビリティを達成した。
• 10 nmという極めて薄いダイヤモンド膜が、ナノメートル未満の界面粗さと200 × 200 μm²の領域でナノメートルスケールの厚さ均一性を有する形で正常に接合された。
• 接合膜における窒素空位中心のスピン量子相干時間（T₂）は最大623(21) μsに達し、高度な量子応用に適していることが示された。
• 高品質因子を有するナノフォトニクスキャビティが、ダイヤモンドヘテロ構造と正常に統合され、量子フォトニクス分野におけるプラットフォームの多様性が確認された。
• 超薄型ダイヤモンド膜により、バックグラウンド発光の抑制が効果的に行われ、ライブセルの共鳴量子センシングに適した全内反射蛍光（TIRF）顕微鏡法が実現された。
• 包括的ツールキットの実証により、量子およびエレクトロニクス技術向けに特性を調整可能な異種ダイヤモンドベースのハイブリッドシステムの作製が可能となった。