摘要：为了扩大钻石在半导体和量子技术中的潜在用途，研究人员正在开发改进的过程，以在较低温度下生长材料，从而不会损害计算机芯片中的硅。这些进步包括在量子钻石上创建保护性氢层的见解，而不会损害氮 - 呈现中心等关键特性。...
研究人员正在开发有关制造实验室种植钻石的最佳方法的新想法，同时最大程度地减少了其他形式的碳，例如烟灰。不过，这些钻石并不注定要用于戒指和项链。这些是未来计算机，光学和传感器所需的种类。
美国能源部（DOE）普林斯顿血浆物理实验室（PPPL）和普林斯顿大学的研究人员进行的一项新研究调查了比目前使用的钻石可靠地生长钻石的方法。 Diamond具有使其对半导体行业有吸引力的特性。钻石具有特殊的晶格结构，可以承受高电压。它也很好地散发热量。
PPPL首席研究员Igor Kaganovic：“这项工作是PPPL通过对材料和过程提供重要研究来推动微电子的更广泛努力的一部分，这对于确保美国在这个高科技领域的持续竞争优势至关重要。”
在实验室中生长的钻石通常涉及高热量，而不是计算机芯片可以处理的钻石。因此，长期以来，科学家一直在寻找减少热量的方法，而无需牺牲钻石质量。
该研究的主要作者PPPL的计算研究助理Yuri Barsukov说：“如果我们想将钻石实施到基于硅的制造中，那么我们就需要找到一种低温钻石生长的方法。” “这可以为硅微电子行业打开一扇门。”
PPPL的量子钻石实验室的量子钻石反应器之一的特写。设备内部的发光来自用于使用称为化学蒸气沉积的过程来制造量子钻石的等离子体。 （图片来源：Michael Livingston / PPPL通讯部）
找到临界温度
过去的实验制造钻石的过程，称为血浆增强化学蒸气沉积，表明乙炔可以促进钻石生长。然而，乙炔也已知可以有助于烟灰的生长，烟灰可以在钻石上生长并抑制光学，传感器和芯片的性能。确定乙炔成为钻石还是烟灰的因素尚不清楚。
巴尔苏科夫说：“现在我们有了答案。” “像水到冰一样，一个相向另一个相的过渡也存在临界温度。在此临界温度之上，乙炔主要促进钻石生长。在此临界温度以下，它主要有助于烟灰的生长。”
根据这项研究，该研究发表在杂志上钻石和相关材料，临界温度取决于几个因素，包括乙炔和钻石表面附近的原子氢的浓度。
该论文的作者Alexander研究学者Alexander Khrabry说：“氢原子不会直接为钻石生长燃料，但是氢解离或分解对于将甲烷转化为乙炔和将原子氢运输到钻石生长表面至关重要。这些都对钻石生长很重要。”在表面附近更多的氢气中，即使在较低的温度下，也会形成更多的钻石。
保护量子钻石
完善在较低温度下增长优质钻石的过程只是难以可靠地制作电子钻石的难题。某些应用需要一种更复杂的钻石形式，其中某些碳原子被去除，并用氮代替相邻的原子。这创建了科学家所说的氮散布中心或NV中心。
PPPL，普林斯顿大学和皇家墨尔本理工学院的研究人员发表了与NV中心有关的另一项与NV中心有关的研究。这项研究研究了保护这种特殊材料表面的方法，即被称为量子钻石，同时保持NV中心完整。
这种量子钻石模型显示了黑色的碳原子。紫色球代表氮，而蓝色球则代表晶格中的空地。氮气和空空间共同创建了用于量子应用中的氮呈（NV）中心。 （图片来源：Michael Livingston / PPPL通信部）
“这种材料中的电子不会像较重的颗粒那样按照古典物理的定律行事。相反，像所有电子一样，它们按照量子物理的定律行事。”研究人员希望利用这些量子行为的一种方式是制作称为Qubits的特殊位。史黛西说：“量他的优势在于，它们可以持有的信息比普通位的信息更多。” “这意味着他们还可以为我们提供更多有关其环境的信息，例如，使它们作为传感器非常有价值。”
添加均匀的氢原子
将氢附着在钻石表面上对微电子和量子传感器具有影响。氢原子可以与钻石表面相互作用，并导致它们传导电力，同时，在连接其他更复杂的分子之前，需要它们作为起点。面临的挑战是在量子钻石表面均匀分布的单层氢原子，而不改变下面的氢原子。
普林斯顿大学电气和计算机工程副教授，PPPL的相关教师，本文的合着者Nathalie de Leon说：“人们已经试图控制钻石表面很长时间了。” “这是一个有趣的基本科学问题，因为Diamond有点奇怪。您的材料到处都是完全一样的，然后从表面上看，它必须与其他事物结合在一起。但是Diamond非常惰性，这意味着它不想与事物做出反应。它是一个非常紧密的lattice，因此很难在那里变得很困难。
该研究探讨了更可靠的损害技术，以将单层的氢原子添加到钻石表面，因此它是某些量子应用的理想选择。它是实验室中有关钻石表面进行量子计算和传感的更广泛研究领域的一部分。 PPPL于2024年3月开设了量子钻石实验室，使该实验室成为此类研究的理想合作伙伴。
钻石中的原子键使该材料非常适合量子应用，包括量子计算，安全通信以及对温度和磁场的高度准确测量。
Barsukov说：“我们需要使用血浆精确控制钻石表面的化学反应，但是等离子体表面相互作用并不是很好。” “人们通常使用一种反复试验的方法。因此，我们试图阐明表面上的某些过程，只是为了使图片更清楚。”
通常，通过将钻石暴露于高热量下的氢血浆中，添加了该氢层。但是，就像标准计算机芯片中的硅一样，NV中心无法应付此环境。
创建量子钻石的食谱书
研究小组试图找到更好的方法，使NV中心完好无损地制造氢化量子钻石。该论文的第一作者，梅尔伯恩大学物理学学院的研究人员丹尼尔·麦克洛斯基（Daniel McCloskey）说：“我们正在编写一本食谱书，并描述了不同的氢化钻石表面的方式，以便我们了解如何为许多应用做得更好。”
国际研究小组研究了传统方法以及以下两种替代氢化方法：
- 形成气体退火，它使用氢分子和氮气的混合物（而不是仅由氢制成的等离子体）。
- 冷等离子终止，使用氢血浆，但避免了与血浆直接加热钻石。
两种替代技术都产生了可以进行电力的氢化钻石，但是存在主要的差异和权衡。具体而言，该小组发现，由形成气体退火制成的氢层的质量高度取决于所使用的温度和气体混合物的。虽然在实验过程中不应存在氧气，但有些可能会泄漏，甚至相对较小的量也产生了很大的不同。
McCloskey解释说：“您必须从钻石上拿出氧气。”麦克洛斯基（McCloskey）说，开发减少和消除进入反应室的氧气的方法是需要探索的另一个重要研究领域，并补充说，它们必须超越标准方案以使其正常工作。
冷等离子终止方法还在量子钻石上创建了一个氢层，而不会损害NV中心。但是，权衡的是，用冷等离子体终止制成的氢层质量低于传统加热方法。
评估对NV中心的损害
为了研究氢化方法对NV中心的影响，该团队使用了一种称为光致发光光谱的技术。 Stacey解释说：“这是一种窥视钻石样品，通过用绿光激发它们并使它们荧光灯来欣赏钻石样本。”即使重复过程，这两种新的氢化方法都不会影响荧光。但是，传统的加热血浆处理导致NV中心荧光近一半的不可逆转损失。
McCloskey说：“这突出了必须在未来应用中平衡的表面质量和NV属性之间的权衡。例如，在生物分子传感项目中，绝对至关重要的是，NV靠近表面。”
需要进一步的研究来完善新方法，以可靠地生产具有理想NV中心的高质量氢化钻石表面。 PPPL及其合作者还有许多其他途径可以探索。尽管氢原子的均匀涂层可能是某些应用的最终目标，但对于其他应用来说，这可能只是许多人创建涉及其他元素的自定义表面的第一步。
The first study, "Quantum Chemistry Model of Surface Reactions and Kinetic Model of Diamond Growth: Effects of CH3 Radicals and C2H2 Molecules at Low-temperatures CVD" was supported by the DOE under the "microelectronics co-design" research DOE national laboratory program and used computing resources on the Princeton University Adroit cluster and Stellar cluster.在第二项研究中，作者通过赠款DP200103712，CE170100012和FL130100119的赠款来感谢澳大利亚研究委员会（ARC）的支持。墨尔本大学概念证明赠款和弧形量子生物技术卓越中心还通过项目编号CE230100021提供了支持。美国国防科学与工程研究生奖学金也提供了额外的支持。普林斯顿的原位退火和光谱研究主要得到了美国能源部科学办公室和基础能源科学办公室的支持，奖励编号DESC0018978，仪器开发得到了国家科学基金会的职业生涯授予编号DMR1752047的支持。该材料基于美国能源部科学办公室，融合能源科学办公室和基础能源科学办公室的支持，根据奖励编号实验室21-2491。
