Diamantbindingstechniek zou zowel kwantum- als conventionele elektronica kunnen verbeteren

Synthetische diamant is duurzaam, inert, stijf, thermisch geleidend en chemisch goed gedraagt ​​– een elitemateriaal voor zowel kwantum- als conventionele elektronica. Maar er is één probleem. Diamant houdt alleen van diamant.

Het is homo-epitaxiaal, wat betekent dat het alleen op andere diamanten groeit. Het integreren van diamant in kwantum- of conventionele computers, kwantumsensoren, mobiele telefoons of andere apparaten zou betekenen dat het volledige potentieel van de diamant wordt opgeofferd of dat grote, dure delen van het kostbare materiaal worden gebruikt.

“Diamond staat op zichzelf wat betreft zijn materiaaleigenschappen, zowel voor elektronica (met zijn brede bandafstand, allerbeste thermische geleidbaarheid en uitzonderlijke diëlektrische sterkte) als voor kwantumtechnologieën: het herbergt stikstofvacaturecentra die de gouden standaard zijn voor kwantumdetectie op kamertemperatuur”, zegt UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME) Asst. Prof. Alex High. “Maar als platform is het eigenlijk behoorlijk verschrikkelijk.”

Recentelijk een krant gepubliceerd in Natuurcommunicatie van UChicago PME’s High Lab en Argonne National Laboratory heeft een grote hindernis opgelost waarmee onderzoekers die met diamant werken te maken krijgen door een nieuwe manier te creëren om diamanten rechtstreeks aan materialen te binden die gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd met kwantum- of conventionele elektronica.

“We voeren een oppervlaktebehandeling uit op de diamant- en dragersubstraten die ze zeer aantrekkelijk voor elkaar maakt. En door ervoor te zorgen dat we een onberispelijke oppervlakteruwheid hebben, zullen de twee zeer vlakke oppervlakken met elkaar verbonden worden”, zegt eerste auteur Xinghan Guo, die verdiende zijn Ph.D. van UChicago PME in het voorjaar.

“Een uitgloeiproces verbetert de hechting en maakt deze heel sterk. Daarom kan onze diamant verschillende nanofabricageprocessen overleven. Het onderscheidt ons proces van het eenvoudig plaatsen van diamant op een ander materiaal.”

Met deze techniek bond het team diamant rechtstreeks met materialen zoals silicium, gesmolten silica, saffier, thermisch oxide en lithiumniobaat, zonder dat er een tussensubstantie nodig was die als ‘lijm’ kon fungeren.

In plaats van de honderden microns dikke bulkdiamanten die doorgaans worden gebruikt om kwantumqubits te bestuderen, bond het team kristallijne membranen zo dun als 100 nanometer, terwijl ze nog steeds een spincoherentie handhaafden die geschikt was voor geavanceerde kwantumtoepassingen.

Perfecte gebreken

In tegenstelling tot juweliers geven kwantumonderzoekers de voorkeur aan een enigszins gebrekkige diamant. Door nauwkeurig defecten in het kristalrooster te ontwerpen, creëren onderzoekers duurzame qubits die ideaal zijn voor kwantumcomputers, kwantumdetectie en andere toepassingen.

“Diamant is een materiaal met een grote bandafstand. Het is inert. In feite gedraagt ​​het zich heel braaf en heeft het geweldige thermische en elektronische eigenschappen”, zegt co-auteur F. Joseph Heremans, die een dubbele afspraak heeft met UChicago PME en Argonne. “De ruwe fysieke eigenschappen ervan hebben veel kenmerken die gunstig zijn voor veel verschillende vakgebieden. Tot nu toe was het gewoon heel moeilijk om te integreren met ongelijksoortige materialen.”

Omdat dunne diamantmembranen voorheen echter moeilijk rechtstreeks in apparaten te integreren waren, waren hiervoor grotere, maar nog steeds microscopisch kleine stukjes materiaal nodig. Co-auteur Avery Linder, vierdejaarsstudent van UChicago Engineering, vergeleek het bouwen van gevoelige kwantumapparaten met deze diamanten met het proberen een enkele tosti te maken met een heel blok cheddar.

UChicago PME Asst. Prof. Peter Maurer, co-auteur van het artikel, houdt zich bezig met kwantumbiosensoren en gebruikt revolutionaire kwantumtechnieken om betere, nauwkeurigere metingen te verkrijgen van de werking van fundamentele biologische processen op micro- en nanoschaal.

“Hoewel we veel uitdagingen hebben overwonnen die verband houden met het koppelen van intacte biologische doelen aan op diamanten gebaseerde kwantumsensoren, is hun integratie in daadwerkelijke meetapparatuur, zoals een commerciële microscoop of een diagnostisch apparaat, een uitstekende uitdaging gebleven, zonder de uitleesefficiëntie te verliezen.” aldus Maurer.

“Dit nieuwe werk met diamantmembranenbinding dat het laboratorium van Alex leidde, heeft veel van deze problemen omzeild en brengt ons een belangrijke stap dichter bij toepassingen.”

Kleverige diamanten

In diamanten deelt elk koolstofatoom elektronen met vier andere koolstofatomen. Deze elektronendelende bindingen, covalente bindingen genoemd, creëren de harde, duurzame interne structuur van de edelsteen.

Maar als er geen ander koolstofatoom in de buurt is om elektronen te delen, ontstaat er zogenaamde ‘bungelende bindingen’ op eenzame atomen die op zoek zijn naar een partner. Door een diamantoppervlak vol met deze bungelende bindingen te creëren, kon het team de diamantwafels op nanometerschaal rechtstreeks aan andere oppervlakken hechten.

“Je kunt het bijna zien als een plakkerig oppervlak, omdat het aan iets anders gehecht wil worden”, zei Linder. “En dus hebben we in feite kleverige oppervlakken gemaakt en deze in elkaar gezet.”

De onderzoekers hebben het proces gepatenteerd en commercialiseren het via het Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation van de Universiteit van Chicago.

“Deze nieuwe techniek heeft het potentieel om een ​​grote invloed te hebben op de manier waarop we kwantum- en zelfs telefoon- of computerproductie uitvoeren”, aldus Linder.

High vergelijkt de nieuwe diamanttechniek met de vooruitgang op het gebied van complementaire metaaloxidehalfgeleiders (CMOS) door de jaren heen, van omvangrijke individuele transistors in laboratoria in de jaren veertig tot de krachtige, kleine geïntegreerde schakelingen die computers en telefoons tegenwoordig vullen.

“We hopen dat ons vermogen om deze dunne films te genereren en ze op een schaalbare manier te integreren kan leiden tot zoiets als een CMOS-achtige revolutie voor op diamanten gebaseerde kwantumtechnologieën”, zei hij.