Die Diamantbindungstechnik könnte sowohl die Quantenelektronik als auch die konventionelle Elektronik verbessern

Synthetischer Diamant ist langlebig, inert, steif, wärmeleitend und chemisch gut verhalten – ein Elitematerial sowohl für die Quantenelektronik als auch für die konventionelle Elektronik. Aber es gibt ein Problem. Diamant mag nur Diamant.

Es ist homoepitaxial, das heißt, es wächst nur auf anderen Diamanten, und die Integration von Diamant in Quanten- oder konventionelle Computer, Quantensensoren, Mobiltelefone oder andere Geräte würde bedeuten, das volle Potenzial des Diamanten zu opfern oder große, teure Stücke des kostbaren Materials zu verwenden.

„Diamant ist hinsichtlich seiner Materialeigenschaften einzigartig, sowohl für die Elektronik – mit seiner großen Bandlücke, der besten Wärmeleitfähigkeit und der außergewöhnlichen Durchschlagsfestigkeit – als auch für Quantentechnologien – er beherbergt Stickstoff-Fehlstellenzentren, die den Goldstandard für Quantensensorik darstellen.“ Raumtemperatur“, sagte UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME) Asst. Prof. Alex High. „Aber als Plattform ist es eigentlich ziemlich schrecklich.“

Kürzlich ein Artikel veröffentlicht In Naturkommunikation vom High Lab und Argonne National Laboratory von UChicago PME hat eine große Hürde für Forscher bei der Arbeit mit Diamanten gelöst, indem es eine neuartige Möglichkeit geschaffen hat, Diamanten direkt an Materialien zu binden, die sich leicht in Quantenelektronik oder konventionelle Elektronik integrieren lassen.

„Wir nehmen eine Oberflächenbehandlung an den Diamant- und Trägersubstraten vor, die sie zueinander sehr attraktiv macht. Und indem wir sicherstellen, dass wir eine makellose Oberflächenrauheit haben, werden die beiden sehr flachen Oberflächen miteinander verbunden“, sagte Erstautor Xinghan Guo, der die Studie verfasste sein Ph.D. von UChicago PME im Frühjahr.

„Ein Glühprozess verstärkt die Bindung und macht sie wirklich stark. Deshalb kann unser Diamant verschiedene Nanofabrikationsprozesse überstehen. Es unterscheidet unseren Prozess von der einfachen Platzierung von Diamant auf einem anderen Material.“

Mit dieser Technik hat das Team Diamanten direkt mit Materialien wie Silizium, Quarzglas, Saphir, thermischem Oxid und Lithiumniobat verbunden, ohne dass eine Zwischensubstanz als „Kleber“ fungierte.

Anstelle der mehrere Hundert Mikrometer dicken Massendiamanten, die typischerweise zur Untersuchung von Quanten-Qubits verwendet werden, verband das Team kristalline Membranen mit einer Dicke von nur 100 Nanometern und bewahrte dabei dennoch eine Spinkohärenz, die für fortgeschrittene Quantenanwendungen geeignet ist.

Perfekte Mängel

Im Gegensatz zu Juwelieren bevorzugen Quantenforscher einen leicht fehlerhaften Diamanten. Durch die präzise Konstruktion von Defekten im Kristallgitter schaffen Forscher langlebige Qubits, die sich ideal für Quantencomputer, Quantensensorik und andere Anwendungen eignen.

„Diamant ist ein Material mit großer Bandlücke. Es ist inert. Tatsächlich verhält es sich sehr gut und verfügt über hervorragende thermische und elektronische Eigenschaften“, sagte F. Joseph Heremans, Co-Autor des Papiers, der eine doppelte Anstellung bei UChicago PME und Argonne hat. „Seine rohen physikalischen Eigenschaften erfüllen viele Kriterien, die für viele verschiedene Bereiche von Vorteil sind. Bisher war die Integration mit unterschiedlichen Materialien nur sehr schwierig.“

Da es jedoch früher schwierig war, dünne Diamantmembranen direkt in Geräte zu integrieren, waren dafür größere – aber immer noch mikroskopisch kleine – Brocken des Materials erforderlich. Der Co-Autor des Artikels, Avery Linder, Student im vierten Jahr an der UChicago Engineering, verglich den Bau empfindlicher Quantengeräte aus diesen Diamanten mit dem Versuch, ein einzelnes gegrilltes Käsesandwich mit einem ganzen Block Cheddar zuzubereiten.

UChicago PME Asst. Prof. Peter Maurer, Mitautor des Artikels, arbeitet im Bereich der Quanten-Biosensorik und nutzt revolutionäre Quantentechniken, um bessere und genauere Messungen der Funktionsweise grundlegender biologischer Prozesse auf der Mikro- und Nanoskala zu erhalten.

„Obwohl wir viele Herausforderungen im Zusammenhang mit der Verbindung intakter biologischer Ziele mit diamantbasierten Quantensensoren gemeistert haben, ist ihre Integration in tatsächliche Messgeräte, wie ein kommerzielles Mikroskop oder ein Diagnosegerät, ohne Einbußen bei der Ausleseeffizienz geblieben, eine herausragende Herausforderung geblieben.“ sagte Maurer.

„Diese neue Arbeit mit der Bindung von Diamantmembranen, die von Alex‘ Labor geleitet wurde, hat viele dieser Probleme umgangen und bringt uns einen wichtigen Schritt näher an die Anwendungen.“

Klebrige Diamanten

In Diamanten teilt jedes Kohlenstoffatom Elektronen mit vier anderen Kohlenstoffatomen. Diese elektronenverteilenden Bindungen, sogenannte kovalente Bindungen, bilden die harte, dauerhafte innere Struktur des Edelsteins.

Wenn jedoch kein anderes Kohlenstoffatom in der Nähe ist, das Elektronen teilen kann, entstehen sogenannte „baumelnde Bindungen“ an einsamen Atomen, die auf der Suche nach Partnern sind. Durch die Schaffung einer Diamantoberfläche voller dieser freien Bindungen konnte das Team die Diamantwafer im Nanometerbereich direkt mit anderen Oberflächen verbinden.

„Man kann es sich fast wie eine klebrige Oberfläche vorstellen, weil es an etwas anderem befestigt werden möchte“, sagte Linder. „Im Grunde genommen haben wir also klebrige Oberflächen geschaffen und diese zusammengesetzt.“

Die Forscher haben das Verfahren patentieren lassen und vermarkten es über das Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation der University of Chicago.

„Diese neue Technik hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir Quantenphysik und sogar die Herstellung von Telefonen oder Computern betreiben, stark zu beeinflussen“, sagte Linder.

High vergleicht die neue Diamanttechnik mit den Fortschritten bei komplementären Metalloxidhalbleitern (CMOS) im Laufe der Jahre, von sperrigen Einzeltransistoren in Laboren in den 1940er Jahren bis zu den leistungsstarken, winzigen integrierten Schaltkreisen, die heute Computer und Telefone füllen.

„Wir hoffen, dass unsere Fähigkeit, diese dünnen Filme zu erzeugen und sie auf skalierbare Weise zu integrieren, zu so etwas wie einer CMOS-ähnlichen Revolution für diamantbasierte Quantentechnologien führen kann“, sagte er.