Trwające badania usprawniają laboratoryjną produkcję diamentów do zastosowań elektronicznych, koncentrując się na warunkach wzrostu, technikach ochronnych właściwości kwantowych i innowacyjnych obróbkach powierzchni.
Naukowcy badają innowacyjne metody produkcji diamentów hodowanych w laboratorium przy jednoczesnej minimalizacji innych form węgla, takich jak sadza. Te diamenty nie są jednak przeznaczone do biżuterii. Są to typy, które są potrzebne w komputerach, optyce i czujnikach przyszłości.
Niedawne badanie przeprowadzone przez naukowców z Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton przy Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) ([{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>PPPL) and Princeton University investigated ways to reliably grow diamond at lower temperatures than those currently used. Diamond possesses properties that make it attractive to the semiconductor industry. Its unique crystal lattice structure allows it to withstand high electrical voltages and it is very good at dissipating heat.
“This work is part of PPPL’s broader efforts to advance microelectronics by providing critical research into the materials and processes that could prove essential to ensuring a continued competitive advantage for the United States in this high-tech field,” said PPPL Principal Research Physicist Igor Kaganovich, a co-author on the paper.
Typically, growing diamond in a laboratory involves high heat beyond what computer chips can handle; therefore, scientists have long been searching for ways to reduce the heat without sacrificing diamond quality.
“If we want to implement diamond into silicon-based manufacturing, then we need to find a method of lower-temperature diamond growth,” said Yuri Barsukov, a computational research associate at PPPL who was the lead author of the study. “This could open a door for the silicon microelectronics industry.”
Finding the Critical Temperature
Past experiments into a process for making diamond, known as plasma-enhanced chemical vapor deposition, showed that acetylene can contribute to diamond growth. However, acetylene was also known to contribute to the growth of soot, which can grow on top of diamond and inhibit performance for optics, sensors, and chips. The factors that determined whether the acetylene became diamond or soot were unclear.
“Now we have an answer,” Barsukov said. “Like water to ice, there is a critical temperature for the transition of one phase to another. Above this critical temperature, acetylene contributes mostly to diamond growth. Below this critical temperature, it contributes mostly to soot growth.”
According to the study, which was published in the journal Diamond & Related Materials, the critical temperature depends on several factors, including the concentration of acetylene and atomic hydrogen near the surface of the diamond.
“Hydrogen atoms don’t fuel diamond growth directly, but hydrogen dissociation, or breakdown, is crucial for transforming methane into acetylene and transporting atomic hydrogen to the diamond growth surface. These are both important for diamond growth,” said Princeton University Research Scholar Alexander Khrabry, an author of the paper. With more hydrogen near the surface, more diamond can form, even at lower temperatures.
Protecting Quantum Diamond
Perfecting the process for growing quality diamond at lower temperatures is just one piece of the puzzle to reliably making diamond for electronics. Some applications require a more complicated form of diamond in which some carbon atoms are removed, and a neighboring atom is replaced with nitrogen. This creates what scientists call nitrogen-vacancy centers or NV centers.
A separate study related to NV centers was published in the journal Advanced Materials Interfaces by researchers from PPPL, Princeton University, and the Royal Melbourne Institute of Technology. This study looked at ways to protect the surface of this special material, which is known as quantum diamond, while keeping the NV centers intact.
“The electrons in this material don’t behave according to the laws of classical physics as heavier particles do. Instead, like all electrons, they behave according to the laws of quantum physics,” said Alastair Stacey, a managing principal research physicist and head of quantum materials and devices at PPPL who was a co-author on the study.
One way researchers hope to harness these quantum behaviors is by making special bits called qubits. “The advantage of qubits is that they can hold much more information than regular bits can,” said Stacey. “This means that they can also give us much more information about their environment, making them extremely valuable as sensors, for example.”
Adding an Even Layer of Hydrogen Atoms
Attaching hydrogen to the diamond surface has implications both for microelectronics and quantum sensors. Hydrogen atoms can interact with diamond surfaces and lead them to conduct electricity, and, at the same time, they are needed as a starting point before attaching other, more complex molecules. The challenge is creating a single layer of hydrogen atoms evenly distributed on the surface of the quantum diamond without changing what lies beneath.
“People have been trying to control diamond surfaces for a very long time,” said Nathalie de Leon, an associate professor of electrical and computer engineering at Princeton University, associated faculty at PPPL, and a co-author on the paper. “It’s an interesting fundamental science question because diamond is sort of a weird solid. You have a material that is exactly the same everywhere, and then at the very surface, it has to somehow bond to something else. But diamond is very inert, meaning it doesn’t want to react with things. It’s a very tight lattice, so it’s hard to get things in there. It’s also the hardest material in the world, so it’s very hard to polish and prepare in various ways.”
The study explores more reliable and less damaging techniques for adding that single layer of hydrogen atoms to the surface of the diamond so that it is ideal for certain quantum applications. It’s part of a broader area of research at the Lab on preparing diamond surfaces for quantum computing and sensing. PPPL opened its Quantum Diamond Laboratory in March 2024, making the Lab an ideal partner for such research.
Sposób, w jaki atomy wiążą się w diamencie, sprawia, że materiał ten doskonale nadaje się do zastosowań kwantowych, w tym obliczeń kwantowych, bezpiecznej komunikacji oraz bardzo dokładnych pomiarów temperatury i pól magnetycznych.
„Musimy precyzyjnie kontrolować skład chemiczny powierzchni diamentu za pomocą osoczeale interakcje plazmy z powierzchnią nie są zbyt dobrze poznane” – powiedział Barsukov, który również brał udział w drugim badaniu. „Ludzie zwykle używają metody prób i błędów. Próbujemy więc rzucić światło na niektóre procesy zachodzące na powierzchni, aby obraz był nieco wyraźniejszy”.
Zwykle tę warstwę wodorową dodaje się przez wystawienie diamentu na działanie plazmy wodorowej w wysokiej temperaturze. Jednak podobnie jak krzem w standardowych chipach komputerowych, centra NV nie radzą sobie w takim środowisku.
Tworzenie książki kucharskiej na diament kwantowy
Zespół badawczy szukał lepszych metod wytwarzania uwodornionego diamentu kwantowego z nienaruszonymi centrami NV. „Piszemy książkę kucharską i opisujemy różne sposoby prawidłowego uwodornienia powierzchni diamentu, abyśmy wiedzieli, jak to zrobić lepiej w wielu zastosowaniach” – powiedział Daniel McCloskey, pierwszy autor artykułu i badacz w School of Fizyka na Uniwersytecie w Melbourne.
Międzynarodowy zespół badawczy zbadał podejście tradycyjne, a także następujące dwie alternatywne metody uwodornienia:
- Wyżarzanie gazowe formujące, w którym wykorzystuje się mieszaninę cząsteczek wodoru i gazowego azotu (a nie plazmę wykonaną wyłącznie z wodoru).
- Zakończenie zimną plazmą, które wykorzystuje plazmę wodorową, ale pozwala uniknąć bezpośredniego nagrzewania diamentu plazmą.
Obie alternatywne techniki pozwoliły uzyskać uwodorniony diament, który może przewodzić prąd, ale istnieją między nimi kluczowe różnice i kompromisy. W szczególności zespół odkrył, że jakość warstwy wodorowej utworzonej w wyniku wyżarzania w gazie formującym w dużym stopniu zależy od stosowanej temperatury i czystości mieszaniny gazów. Chociaż podczas eksperymentu nie powinien być obecny tlen, jego część może przedostać się do środka i nawet ta stosunkowo niewielka ilość miała duże znaczenie.
„Trzeba usunąć tlen z diamentu” – wyjaśnił McCloskey, a to wymagało temperatur przekraczających 900°C. McCloskey powiedział, że opracowanie sposobów ograniczenia i wyeliminowania tlenu przedostającego się do komory reakcyjnej to kolejny ważny obszar badań, który należy zbadać, i dodał, że aby to zadziałało, trzeba było wyjść poza standardowe protokoły.
Metoda terminacji zimną plazmą utworzyła również warstwę wodorową na diamencie kwantowym, nie uszkadzając centrów NV. Jednak kompromisem jest to, że warstwa wodorowa wykonana za pomocą zakończenia zimną plazmą była gorszej jakości niż w przypadku tradycyjnego podejścia podgrzewanego.
Ocena uszkodzeń ośrodków NV
Aby zbadać wpływ metod uwodornienia na centra NV, zespół zastosował technikę zwaną spektroskopią fotoluminescencyjną. „To sposób na zerknięcie na próbkę diamentu pełną centrów NV poprzez wzbudzenie ich zielonym światłem i wywołanie fluorescencji” – wyjaśniła Stacey. Żadna z dwóch nowych metod uwodornienia nie wpłynęła na fluorescencję, nawet gdy procesy się powtarzały. Jednakże tradycyjna obróbka podgrzewaną plazmą spowodowała nieodwracalną utratę prawie połowy centrum fluorescencji NV.
„To podkreśla kompromis między jakością powierzchni a właściwościami NV, który będzie musiał zostać zrównoważony w przyszłych zastosowaniach. Na przykład w projektach wykrywania biomolekularnego absolutnie kluczowe jest zachowanie NV blisko powierzchni” – powiedział McCloskey.
Konieczne są dalsze badania, aby udoskonalić nowe metody niezawodnego wytwarzania wysokiej jakości powierzchni uwodornionego diamentu z idealnymi środkami NV. PPPL i jej współpracownicy mają także wiele innych możliwości do zbadania. Chociaż w niektórych zastosowaniach ostatecznym celem może być równomierna powłoka atomów wodoru, w innych może to być po prostu pierwszy z wielu kroków w celu stworzenia niestandardowej powierzchni obejmującej inne elementy.
Referencje:
„Methods for Color Center Preserving Hydrogen-termination of Diamond” autorstwa Daniela J. McCloskeya, Daniela Robertsa, Lili VH Rodgers, Yuri Barsukov, Igor D. Kaganovich, David A. Simpson, Nathalie P. de Leon, Alastair Stacey i Nikolai Dontschuk, 11 lipca 2024 r., Zaawansowane interfejsy materiałowe.
DOI: 10.1002/admi.202400242
„Kwantowy model reakcji powierzchniowych i model kinetyczny wzrostu diamentu: Wpływ rodników CH3 i cząsteczek C2H2 w niskich temperaturach CVD” autorstwa Yu. Barsukov, ID Kaganowicz, M. Mokrov i A. Khrabry, 6 września 2024 r., Diament i materiały pokrewne.
DOI: 10.1016/j.diamond.2024.111577
Pierwsze badanie, „Kwantowy model reakcji powierzchniowych i kinetyczny model wzrostu diamentu: wpływ rodników CH3 i cząsteczek C2H2 na CVD w niskich temperaturach”, było wspierane przez DOE w ramach krajowego programu laboratoryjnego DOE dotyczącego „współprojektowania mikroelektroniki” i wykorzystał zasoby obliczeniowe klastra Adroit i Stellar Uniwersytetu Princeton. W przypadku drugiego badania „Methods for Color Center Preserving Hydrogen-Termination of Diamond” autorzy dziękują za wsparcie Australijskiej Rady ds. Badań Naukowych (ARC) w postaci grantów DP200103712, CE170100012 i FL130100119. Wsparcie zapewniono także w ramach grantu Uniwersytetu w Melbourne na weryfikację koncepcji oraz Centrum Doskonałości ARC w dziedzinie biotechnologii kwantowej w ramach projektu o numerze CE230100021. Dodatkowego wsparcia udzieliło także amerykańskie stypendium National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship. Badania wyżarzania in situ i spektroskopii w Princeton były wspierane głównie przez Biuro Nauki DOE i Biuro Nauk o Podstawowej Energii w ramach nagrody o numerze DESC0018978, a rozwój oprzyrządowania był wspierany w ramach grantu programu CAREER National Science Foundation o numerze DMR1752047. Niniejszy materiał opiera się na pracach wspieranych przez Biuro Naukowe Departamentu Energii, Biuro Nauk o Energii Termojądrowej i Biuro Nauk o Podstawowej Energii w ramach nagrody nr LAB 21-2491.
