金剛石，以其無與倫比的材料特性，在量子與電子技術領域展現出了巨大的應用潛力。然而，單晶金剛石的異質外延生長技術尚存在局限性，這在一定程度上阻礙了金剛石基技術的進一步集成與發展。針對這一挑戰，芝加哥大學的研究團隊成功地將單晶金剛石膜直接鍵合至多種材料之上，包括硅、熔融石英、藍寶石、熱氧化物以及鈮酸鋰等。這一創新性的鍵合工藝，融合了定制的膜合成技術、精密的轉移手段以及高效的干表面功能化處理，不僅極大地減少了污染，還確保了產量的統一性與工藝的可擴展性。

 研究團隊所制備的鍵合晶體膜，其厚度低至驚人的10納米，界面區域更是達到了亞納米級別，且尺寸可覆蓋至200 x 200?μm2的廣闊范圍。在150納米厚的鍵合膜中，氮空位中心的自旋相干時間T2被測量出高達623 ± 21?μs，這一數據充分證明了其在高端量子應用中的卓越性能。此外，研究還展示了多種將高品質因數的納米光子腔與金剛石異質結構進行集成的方法，進一步凸顯了該平臺在量子光子學領域的多功能性與廣闊前景。

尤為值得一提的是，這種超薄金剛石膜與全內反射熒光（TIRF）顯微鏡的兼容性，使得相干金剛石量子傳感器能夠直接與活細胞相結合，同時有效地抑制了背景發光的干擾。這一特性為量子生物傳感與成像領域帶來了全新的實驗可能性，有望推動相關技術的快速發展。

相關研究成果以題為“Direct-bonded diamond membranes for heterogeneous quantum and electronic technologies”的論文，在《Nature Communications》上進行了發表。該論文詳細闡述了這一創新工藝的全套流程，為量子與電子技術領域提供了一套完整的金剛石基異質系統合成工具包。

研究人員展示了創建基于金剛石的異質材料和技術的完整工藝流程。鍵合膜結合了同位素工程、原位摻雜和精確的厚度控制，同時保持了量子技術所必需的表面形貌、平整度和晶體質量。我們生成的鍵合連續晶體膜厚度僅為10納米，遠低于之前的演示，可與最先進的微電子技術中的材料幾何形狀相媲美。HRTEM揭示了有序的亞納米鍵合界面，PL 測量表明所有托管色心都具有高信噪比，氮空位中心保持了類似塊體的自旋相干性。該工藝與納米結構基板兼容，占地面積小，不需要鍵合后蝕刻，從而確保了預先存在的目標基板結構的完整性。鍵合膜可承受多個后續納米制造步驟，方法與包括晶圓鍵合在內的標準半導體制造工藝兼容。 

至關重要的是，通過避免使用中間粘合材料，研究人員生成了適用于量子光子學和量子生物傳感的最佳材料異質結構。通過TiO2沉積或直接金剛石圖案化和蝕刻來集成高品質因數納米光子學，證明了量子光子學的技術適用性。這些基于金剛石的異質結構具有最小的光損耗，是片上納米光子集成和自旋光子耦合裝置的理想候選者。此外，證明了金剛石膜鍵合通過將流動通道與金剛石膜集成，為量子生物傳感和成像開辟了新的實驗可能性。熒光分子和 NV?中心的同時分辨率將能夠準確識別所需傳感目標的近端 NV?傳感器。超薄金剛石膜還允許TIRF照明，大大提高了局部傳感目標的信號對比度，同時最大限度地減少了不必要的激光激發。

該制造工藝為量子技術開辟了廣泛的基于金剛石的異質平臺。金剛石與 LiNbO3等電光和壓電材料的集成將為片上電可重構非線性量子光子學鋪平道路，并允許研究量子自旋聲子相互作用。金剛石鍵合解鎖了與其他固態量子比特、磁共振混合系統或超導平臺的更多耦合可能性。此外，將這種金剛石膜與已建立的高度相干近表面 NV ? 中心的技術相結合，將產生超靈敏的金剛石探針，該探針專為研究分子結合分析、二維二硫屬化物 (TMD) 和薄膜磁性材料而優化。最后，由于高熱導率、大帶隙和高臨界電場，鍵合金剛石膜在高功率電子器件中有著廣泛的應用。

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