为了扩大钻石在半导体和量子技术中的应用，科学家们正在研究在较低温度下生产钻石的增强方法，这样不会损害计算机芯片中的硅。这些改进包括探索如何在量子钻石上创建保护性氢层，同时保持重要特性，如氮空位中心。
研究人员正在探索创新的方法来生产实验室培育的钻石，同时尽量减少其他碳形式如烟尘的产生。然而，这些钻石并不用于珠宝；它们对明天的先进计算机、光学和传感器至关重要。
美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）和普林斯顿大学的研究人员进行的一项最新研究检查了在较低温度下持续生长钻石的方法，这些温度通常低于常用的生长温度。钻石具有吸引半导体行业的特性。其独特的晶体格结构使其能够承受高电压，并有效地散热。
“这项研究为PPPL在微电子领域的广泛努力做出了贡献，提供了确保美国在这一高科技领域保持竞争优势的重要材料和过程的见解，”PPPL的首席研究物理学家及该研究的合著者伊戈尔·卡冈诺维奇解释道。
在实验室创造钻石通常需要超过计算机芯片耐受极限的极高温度，这促使科学家们寻求在不影响钻石质量的情况下降低温度的方法。
“如果我们希望将钻石集成到基于硅的制造中，我们必须发现一种在较低温度下生长钻石的技术，”PPPL的计算研究助理及该研究的主要作者尤里·巴苏科夫指出。“这可能为硅微电子工业的进步铺平道路。”
PPPL量子钻石实验室中量子钻石反应器的详细视图。设备内部的光辉是由用于所谓化学气相沉积的钻石制造过程中的等离子体产生的。（图片来源：迈克尔·利文斯顿/PPPL通讯部）
识别临界温度
之前对钻石生产的研究通过一种称为等离子体增强化学气相沉积的方法发现，乙炔在钻石增长中起着作用。然而，它也因促进烟尘的积累而受到关注，而这可能会妨碍光学、传感器和芯片的功能。决定乙炔是转化为钻石还是烟尘的变量仍然模糊不清。
“我们现在在这个问题上有了清晰的信息，”巴苏科夫表示。“类似于水转变为冰一样，存在一个主导相变的临界温度。在这个温度以上，乙炔主要促进钻石的生长，而在其以下，烟尘形成占主导地位。”
这项研究发表在期刊Diamond & Related Materials上，指出临界温度取决于多个因素，包括钻石表面附近的乙炔和原子氢的浓度。
“虽然氢原子并不直接促进钻石的生长，但它们的解离对于将甲烷转化为乙炔以及将原子氢输送到生长表面都是至关重要的，这两者都是钻石形成所必需的，”普林斯顿大学的研究学者及论文的合著者亚历山大·克拉布里表示。表面上氢的增加能够在较低温度下促进更多的钻石形成。
保护量子钻石
在降低温度的情况下精炼高质量钻石的生长方法只是可靠生产电子应用钻石挑战的一部分。某些功能需要更复杂的钻石版本，剔除特定的碳原子，并用氮原子替代相邻的原子，从而创建氮空位中心，或称NV中心。
另一项针对NV中心的研究由PPPL、普林斯顿大学和皇家墨尔本理工大学的研究人员在期刊先进材料界面上发表。该研究探讨了如何在确保氮空位中心完整性的同时，保护这种专用材料——量子钻石的表面。
这款量子钻石模型以黑色表示碳原子，紫色球体象征氮，而蓝色球体代表晶格中的空位。它们共同形成氮空位（NV）中心，这在量子应用中至关重要。（图片来源：迈克尔·利文斯顿/PPPL通讯部）
“这种材料中的电子并不遵循经典物理学的规律，而像更大质量的粒子那样。而是遵循量子物理学的原则，”PPPL的管理首席研究物理学家兼量子材料和设备负责人阿拉斯泰尔·斯塔西解释道，他是该研究的合著者。研究人员旨在利用这些量子行为，通过开发称为量子比特的特殊比特。“量子比特能够包含比传统比特更多的信息，使他们提供更丰富的环境数据，使其在传感器应用中特别有价值，”斯塔西补充道。
均匀涂覆氢原子的层
向钻石表面引入氢对微电子和量子传感器具有显著的重要性。氢原子能够与钻石表面相互作用以促进电导率，并且在附加更复杂的分子之前，它们也必须作为基础存在。挑战在于在量子钻石表面实现氢原子均匀单层的同时，保持其底层结构。
“许多人已经试图控制钻石表面相当长的一段时间了，”普林斯顿大学的电气与计算机工程副教授、与PPPL相关的教员及论文的合著者娜塔莉·德·莱昂表示。“这是一个有趣的基本科学问题，因为钻石非常独特。它在内部是一致的，然而在表面上，它必须与其他东西结合。钻石的惰性特性使其抵抗反应，这在引入其他材料时带来了困难。此外其极端的硬度在抛光和准备表面上也带来了挑战。”
这项研究调查了更可靠和侵入性较小的方法，将单层氢原子涂覆到钻石表面，使其适合特定的量子目的。它是实验室为量子计算和传感应用准备钻石表面这一更广泛研究计划的一部分。PPPL量子钻石实验室的开设将于2024年3月巩固其在这一研究中的关键地位。
钻石中的原子键合使该材料在量子应用方面处于理想位置，例如量子计算、安全通信以及对温度和磁场的精确测量。
“使用等离子体技术仔细控制钻石的表面化学是必不可少的；然而，等离子体和表面之间的相互作用仍然理解不够，”巴苏科夫评论道，他也参与了第二项研究。“通常的方法涉及试错，因此我们正在努力阐明一些这些表面过程，以增强我们的理解。”
这一目标是通过在高温下将钻石暴露于氢等离子体中实现的。然而，类似于用于常见计算机芯片的硅，NV中心无法承受这种环境。
为量子钻石开发指南
研究团队旨在探索改进的技术，以生产保留其NV中心。“我们正在编写指南，研究多种有效氢化钻石表面的方法，以增强我们在多个应用方面的理解，”该研究的主要作者、墨尔本大学物理学院的研究员丹尼尔·麦克洛斯基（Daniel McCloskey）评论道。
国际团队探索了传统方法以及两种替代氢化技术：
- 形成气体退火，使用氢分子和氮气的组合，而不是纯氢等离子体。
- 冷等离子体终止，利用氢等离子体而不直接加热钻石。
这两种替代方法成功地创造了能够导电的氢化钻石，但涉及到显著的差异和妥协。研究表明，通过形成气体退火形成的氢层的质量显著受到所用气体混合物的温度和纯度的影响。尽管在过程中理想情况下应消除氧气，但即使是微小的氧气泄漏也会产生重大影响。
“从钻石中去除任何氧气是至关重要的，”麦克洛斯基指出，这需要超过900°C的温度。他强调，推动技术以最小化和防止反应室中的氧污染是至关重要的，并表示他们必须超越传统程序以实现成功的结果。
冷等离子体终止技术也在量子钻石上生成了氢层，而没有损害NV中心。然而，缺点是这种方法产生的氢层质量低于传统加热技术。
评估对NV中心的损伤
为了评估氢化技术对NV中心的影响，团队采用了一种称为光致发光光谱法的方法。“这种技术允许我们通过用绿光激发含有NV中心的钻石样本并观察其荧光，”斯泰西（Stacey）解释道。新的氢化技术都没有影响荧光，即使在多次使用后。相反，标准的加热等离子体方法导致NV中心荧光几乎不可逆转地减少了近50%。
“这突显了在未来应用中需要解决的表面质量与NV特性之间的妥协。例如，在生物分子传感倡议中，确保NV在接近表面时保持完好是至关重要的，”麦克洛斯基说。
还需要更多的研究工作来完善这些新技术，以持续获得具有最佳NV中心的高质量氢化钻石表面。PPPL和其同事还有许多额外的探索机会。虽然在某些应用中，实现均匀的氢原子层可能是主要目标，但在其他应用中，这可能只是朝着使用其他元素创建定制表面的初步步骤。
第一项研究，题为“表面反应的量子化学模型和钻石生长的动力学模型：低温CVD中CH3自由基和C2H2分子的影响”，得到了能源部在国家实验室“微电子共同设计”研究项目下的支持，并利用了普林斯顿大学Adroit和Stellar集群的计算资源。在第二项研究“保留颜色中心的氢终止钻石的方法”中，作者承认了澳大利亚研究委员会（ARC）通过DP200103712，CE170100012和FL130100119的资助支持。额外资助来自墨尔本大学的概念验证资助和ARC量子生物技术卓越中心，项目编号CE230100021。美国国家国防科学与工程研究生奖学金也提供了支持。在普林斯顿的原位退火和光谱研究主要由能源部的科学办公室和基础能源科学办公室资助，奖励编号为DESC0018978，仪器开发得到了国家科学基金会的CAREER项目资助，资助编号为DMR1752047。这项研究基于得到能源部科学办公室、聚变能源科学办公室和基础能源科学办公室支持的工作，奖励编号为LAB 21-2491。
