[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出一种直接键合技术，可将厚度仅为10 nm的单晶金刚石膜直接集成到硅、蓝宝石和铌酸锂等多种基底上，采用定制化的膜层合成、转移及干法表面功能化工艺。该方法实现了接近100%的良率、亚纳米级界面区域，并实现了氮空位中心623(21) μs的自旋退相干时间，支持在量子传感和纳米光子学领域中实现可扩展的量子与电子异质结构。

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.

研究动机与目标

• 为克服异质外延金刚石生长的局限性，以促进其在量子与电子器件中的集成。
• 开发一种可扩展、污染最小化的键合工艺，将单晶金刚石膜直接键合到包括Si、熔融石英、蓝宝石、热氧化物和铌酸锂在内的多种材料上。
• 实现亚纳米级界面控制，并在大面积（200 × 200 μm²）上实现均匀厚度的键合金刚石膜。
• 实现高品质因子纳米光子腔与金刚石异质结构的集成，并兼容全内反射荧光（TIRF）显微技术，以实现活细胞的量子传感。
• 建立完整的工具包，用于制造具有定制性能的异质金刚石基混合系统，以支持先进量子与电子应用。

提出的方法

• 采用化学气相沉积与选择性蚀刻技术，定制化合成厚度低至10 nm的单晶金刚石膜。
• 对金刚石与基底表面进行干法表面功能化，以实现无中间层的强而洁净的共价键合。
• 采用非接触式干法转移技术，精确转移并对齐金刚石膜至目标基底，最大限度减少污染。
• 通过优化表面处理，实现界面区域亚纳米级粗糙度，并在200 × 200 μm²区域内保持厚度均匀性。
• 利用电子束光刻与反应离子蚀刻技术，将金刚石异质结构与纳米光子腔集成，实现高Q因子。
• 通过利用键合膜的低厚度与高透明性，成功展示与全内反射荧光（TIRF）显微技术的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够以极低界面污染和高良率，将超薄单晶金刚石膜直接键合到多种基底上？
• RQ2 在各种基底上直接键合的金刚石膜中，氮空位中心的最大自旋退相干时间（T₂）能达到多少？
• RQ3 高品质因子纳米光子腔在多大程度上可与键合金刚石异质结构集成，以支持量子光子学应用？
• RQ4 键合金刚石膜是否能通过有效抑制背景发光，支持全内反射荧光（TIRF）显微技术？
• RQ5 该直接键合工艺在不同材料和膜厚下的可扩展性与可重复性如何？

主要发现

• 直接键合工艺在包括硅、蓝宝石、熔融石英、热氧化物和铌酸锂在内的多种基底上均实现了接近100%的良率与可扩展性。
• 成功实现了厚度仅为10 nm的金刚石膜键合，界面粗糙度为亚纳米级，且在200 × 200 μm²区域内厚度均匀性达到纳米量级。
• 键合膜中氮空位中心的自旋退相干时间（T₂）最高可达623(21) μs，证明其适用于先进量子应用。
• 成功将高品质因子纳米光子腔与金刚石异质结构集成，证实了该平台在量子光子学中的多功能性。
• 超薄金刚石膜通过抑制背景发光，有效支持了全内反射荧光（TIRF）显微技术，实现了对活细胞的相干量子传感。
• 所展示的完整工具包可实现具有定制性能的异质金刚石基混合系统的制造，适用于量子与电子技术。