[논문 리뷰] Direct-bonded diamond membranes for heterogeneous quantum and electronic technologies

Xinghan Guo, Mouzhe Xie외 17명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 07.

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 단일 결정 다이아몬드 막을 10 nm 두께로 제작하고, 실리콘, sapphire, 리튬니오브산탄 등 다양한 기질에 직접 결합시키는 기술을 제시한다. 이는 맞춤형 막 합성, 이송, 건식 표면 기능화를 통해 달성된다. 이 방법은 근접 100% 수율, 나노미터 이하의 인터페이스 영역을 확보하며, 질소빈약 중심의 스핀 공명 시간이 623(21) μs에 이르게 하여, 양자 센싱 및 나노광학 분야에서 응용 가능한 스케일러블한 양자 및 전자 이종 구조를 지원한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 및 전자 장치 통합을 방해하는 이종 epitaxial 다이아몬드 성장의 한계를 극복하기 위해.
• 실리콘, 융합 규소산염, sapphire, 열산화막, 리튬니오브산탄을 포함한 다양한 재료에 단일 결정 다이아몬드 막을 스케일러블하고 오염 최소화된 방식으로 결합하는 공정을 개발하기 위해.
• 결합된 다이아몬드 막에서 200 × 200 μm² 영역에 걸쳐 나노미터 이하의 인터페이스 제어 및 균일한 두께를 확보하기 위해.
• 고품질 인덕터 나노광학 공진기와의 통합 및 전체 내부 반사 형광(TIRF) 현미경 기술과의 호환성을 통해 생체세포에서의 양자 센싱을 가능하게 하기 위해.
• 고도로 발전된 양자 및 전자 응용 분야를 위한 이종 다이아몬드 기반 하이브리드 시스템을 제작하기 위한 종합적인 툴킷을 확립하기 위해.

제안 방법

• 화학 기상 에피택시 및 선택적 에칭을 이용한 맞춤형 단일 결정 다이아몬드 막 합성으로 10 nm 두께까지 구현.
• 중간층 없이 강력하고 깨끗한 공유 결합을 가능하게 하기 위해 다이아몬드 및 기질 표면의 건식 표면 기능화.
• 오염 최소화를 위해 비접촉식 건식 이송 기술을 사용한 정밀한 다이아몬드 막 이송 및 정렬.
• 최적화된 표면 처리를 통해 200 × 200 μm² 영역에서 나노미터 이하의 표면 거칠기와 균일한 두께를 확보.
• 전자선 리소그래피 및 반응성 이온 에칭을 활용한 나노광학 공진기와 다이아몬드 이종 구조의 통합으로 고 품질 요소 확보.
• 결합된 막의 낮은 두께와 높은 투과성 덕분에 전체 내부 반사 형광(TIRF) 현미경과의 호환성을 입증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초박판 단일 결정 다이아몬드 막을 다양한 기질에 최소한의 인터페이스 오염과 높은 수율로 직접 결합할 수 있는가?
• RQ2 다양한 기질에 직접 결합된 다이아몬드 막에서 질소빈약 중심의 최대 스핀 공명 시간(T₂)은 얼마인가?
• RQ3 고품질 인덕터 나노광학 공진기는 결합된 다이아몬드 이종 구조와 얼마나 잘 통합될 수 있는가? 이는 양자 광학 응용에 기여하는가?
• RQ4 결합된 다이아몬드 막은 배경 발광을 효과적으로 억제하여 전체 내부 반사 형광(TIRF) 현미경을 지원할 수 있는가?
• RQ5 이 직접 결합 공정은 다양한 재료와 막 두께에서 얼마나 스케일러블하고 재현 가능한가?

주요 결과

• 직접 결합 공정은 실리콘, sapphire, 융합 규소산염, 열산화막, 리튬니오브산탄을 포함한 다양한 기질에서 근접 100% 수율과 스케일러비리티를 확보하였다.
• 10 nm 두께의 다이아몬드 막이 나노미터 이하의 인터페이스 거칠기와 200 × 200 μm² 영역에서 나노미터 수준의 두께 균일성을 확보하며 성공적으로 결합되었다.
• 결합된 막에서 질소빈약 중심의 스핀 공명 시간(T₂)은 최대 623(21) μs에 이르렀으며, 고도의 양자 응용에 적합함을 입증하였다.
• 고품질 인덕터 나노광학 공진기가 다이아몬드 이종 구조와 성공적으로 통합되어, 양자 광학 분야에서 플랫폼의 유연성을 확인하였다.
• 초박판 다이아몬드 막은 배경 발광 억제를 통해 효과적인 전체 내부 반사 형광(TIRF) 현미경을 가능하게 하였으며, 생체세포에서의 일관된 양자 센싱을 실현하였다.
• 전체 툴킷은 양자 및 전자 기술을 위한 특성 조절이 가능한 이종 다이아몬드 기반 하이브리드 시스템 제작을 가능하게 하였다.