摘要：一周晶体前沿，一周一期介绍国际权威期刊近期刊发的晶体类精选论文。为方便广大读者浏览，我们已将其摘要译成中文。本期推出由中国科学院上海光学精密机械研究所赵呈春副研究员精心整理的关于金刚石晶体研究前沿。
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一周晶体前沿，一周一期介绍国际权威期刊近期刊发的晶体类精选论文。为方便广大读者浏览，我们已将其摘要译成中文。本期推出由中国科学院上海光学精密机械研究所赵呈春副研究员精心整理的关于金刚石晶体研究前沿。
1. 一种适用于金刚石薄膜的通用纳米加工方法
2. 离子注入、外延层生长与高品质金刚石薄膜剥离技术
3. 碳注入金刚石中的高灵敏度自旋缺陷
4. 通过界面纳米图案化降低界面热阻应用于氮化镓/金刚石电子器件
5. 退火处理金刚石晶体（100）与（111）晶面的表面织构演化研究
6. 金刚石中光谱稳定的锡空位中心电荷态跃迁研究
#1
一种适用于金刚石薄膜的通用纳米加工方法
金刚石因卓越的特性被认为是未来电子与光子技术的理想候选材料。然而，在任意基底上实现金刚石的异质外延生长仍面临巨大挑战。为构建可拓展芯片功能的金刚石异质集成平台，亟需开发可集成且超薄的金刚石材料。近期，香港大学褚智勤教授研究团队和南方科技大学李携曦副教授研究团队合作，提出以糖为介质的掩模转移技术，为超薄可转移金刚石薄膜的高精度、大规模、可重复纳米加工提供了通用解决方案。通过利用糖基转移法，成功将预定义图案作为掩模精准转印至金刚石薄膜表面，并实现了后续的刻蚀。相关研究成果以“A versatile method for nano-fabrication on diamond film: flexible diamond metasurfaces as a demonstration”为题发表在Advanced Optical Materials上。
摘要：
金刚石因在电子、光子及量子领域展现出的卓越性能（如超宽带隙、极高热导率、优异载流子迁移率等），在众多应用中表现出独特优势。然而，与二维材料类似，将金刚石异质集成至芯片以实现功能化仍面临挑战，主要源于难以规模化制备可转移、超薄且均匀的金刚石样品。近期，边缘暴露剥离法被证明可生产晶圆级、自支撑的超薄金刚石薄膜，但其与传统纳米加工工艺的不兼容性导致难以制造实用器件。本文提出一种基于糖掩模转移技术的通用图案化方法，相较于传统手段，该方法在金刚石薄膜上实现了更高的几何分辨率与精度。此外，基于此技术成功制备了柔性全金刚石超表面，其作为结构色器件展现出优异性能，证明了该技术在金刚石相关器件制造中的潜力。
文章信息：
Y. C. Wang, J. X. Jing, Y. M. Luo, et al. A versatile method for nano-fabrication on diamond film: flexible diamond metasurfaces as a demonstration. Adv. Opt. Mater., 2025, 13: 2403429.
DOI: 10.1002/adom.202403429
#2
离子注入、外延层生长与高品质金刚石薄膜剥离技术
在量子传感和微机电系统等特定应用中，需要使用超薄的金刚石薄膜和薄片。离子注入和剥离技术是实现精确厚度控制和减少材料浪费的创新性解决方案。然而，在理解控制分离过程的界面动力学、外延层质量及衬底可重复使用性等方面仍存在空白。例如，大多数研究采用高温退火将受损的金刚石层转化为石墨层。而近期研究结果表明，金刚石外延层的生长过程本身或许可以免去额外的退火步骤，但这一转变的具体机制细节仍未得到深入探究。近期，美国莱斯大学 M. Ajayan 研究团队和美国莱斯大学 Zhang Xiang 研究团队合作，研究了受损金刚石层从无定形碳向石墨层的转变过程，发现外延层生长数小时就足以形成石墨层，以及与基底相比，外延层的纯度和质量均得到显著提升。相关研究成果以“Ion-implantation, epilayer growth, and lift-off of high-quality diamond films”为题发表在Advanced Functional Materials上。
摘要：
高质量金刚石薄膜的发展对于推动量子技术、功率电子学和热管理领域的进步至关重要。离子注入和剥离技术已成为制造厚度可控的金刚石薄膜及可规模化生产大面积金刚石晶圆的关键方法。本研究增进了对在离子注入的商用金刚石衬底上生长金刚石外延层时关键界面动力学的理解。借助高分辨率截面电子显微镜和光谱分析，揭示了在生长外延层的过程中，受损的金刚石层会直接转变为石墨层，从而无需进行高温退火。沿侧面的拉曼光谱和光致发光光谱表明，外延层具备高质量和高纯度，其氮-空位中心密度可与电子级金刚石相媲美，这使生长的外延层非常适合用于量子和电子应用。最后，通过电化学蚀刻可高效地分离外延层，留下表面粗糙度低的衬底，该衬底可在多个生长周期中重复使用。这些研究结果可以为完善离子注入和剥离工艺提供借鉴，填补了界面演化方面的关键空白，并为在多种技术应用中实现可持续、高性能的金刚石薄膜奠定了基础。
文章信息：
X. Zhang, T. S. Pieshkov, D. Chen, et al. Ion-implantation, epilayer growth, and lift-off of high-quality diamond films. Adv. Funct. Mater., 2025: 2423174.
DOI: 10.1002/adfm.202423174
#3
碳注入金刚石中的高灵敏度自旋缺陷
固态材料中的色心被广泛用作检测外部扰动（如磁场、温度和压力）的量子传感器，例如基于金刚石、碳化硅、六方氮化硼色心的量子传感器。其量子传感能力通常通过光探测磁共振（ODMR）测量来确定。目前，金刚石中的氮-空位（NV）色心处于固态量子传感器研究的前沿，然而，NV 色心的德拜-沃勒因子（DWF）较低，仅为 4%，这限制了其在零声子线上用于光探测磁共振检测的发射。金刚石中的 ST1 缺陷是另一种用于量子传感的重要色心，具有高 DWF 和高 ODMR 对比度（高达 45%），并且在环境条件下也能实现相干自旋操控，但是 ST1 色心的形成动力学仍不确定，这限制了其可靠制备。金刚石的 TR12 色心是一种常见的具有间隙性质的辐射缺陷，电子结构包含 12 个不等价取向和 1 个亚稳三重态，在环境条件下可以从该亚稳三重态获得强 ODMR（对比度高达 30%），是一种可用于量子传感的缺陷，与 NV 色心和 ST1 色心相比具有明显优势。然而，目前已实现的 TR12 色心的灵敏度仍需进一步提高。近期，新加坡国立大学 Andrew Bettiol 研究团队探索了在经高能碳离子选择性辐照的电子（E）级金刚石中创建高质量 TR12 系综的方法，实现了高达 1.2 nT/√Hz 的灵敏度。相关研究成果以“High sensitivity spin defects in carbon implanted diamond”为题发表在Advanced Optical Materials上。
摘要：
金刚石中的 TR12 色心是一种自间隙自旋缺陷，能够在室温下进行原子尺度的矢量磁测量，以检测任意方向和大小的磁场。利用 TR12 色心进行的测量表明，其传感动态范围有可能超过金刚石中 NV 色心。TR12 强大的量子传感能力使其成为金刚石量子传感的有力替代候选者，特别是在强磁场环境中。然而，现有文献中其灵敏度相对较低，处于 μT/√Hz 量级。本文研究了通过高能碳离子辐照 E 级金刚石所制备的 TR12 色心，以及沿离子辐照级联的空间分布情况。对光致发光强度、光探测磁共振对比度和线宽进行了详细研究。通过改变不同注入剂量的线辐照离子级联上的位置，实现了 1.2 nT/√Hz 的最高灵敏度，比现有文献中所报道的灵敏度高出三个数量级。拉比振荡测量结果表明，本研究的三重态自旋态能够进行相干操控，表面的退相干时间约为 0.47 μs，射程末端的退相干时间约为 0.42 μs。这些发现显著提升了 TR12 色心在量子传感应用方面的应用潜力。
文章信息：
X. N. Chai, H. D. Liang, C. Y. Yang, et al. High sensitivity spin defects in carbon implanted diamond. Adv. Opt. Mater., 2025, 2500397.
DOI: 10.1002/adom.202500397
#4
通过界面纳米图案化降低界面热阻应用于氮化镓/金刚石电子器件
氮化镓高电子迁移率晶体管在射频电子领域已占据了相当大的市场份额。然而，高功率氮化镓器件中的自热效应会使器件性能下降，并加速失效。因此，改善氮化镓器件中沟道附近的散热能力至关重要。金刚石是理想的散热材料，在氮化镓上直接生长金刚石被认为是最具有可扩展性的方法。氮化镓/金刚石的有效界面热阻包含每个界面的热阻、介电中间层的热阻及金刚石成核层的热阻。为了降低有效界面热阻，通常会使用介电层（氮化硅或氮化铝）来形成牢固的碳化物键或通过弥补金刚石和氮化镓之间声子态密度，实现界面间高效的声子传输。近期，英国布里斯托大学 Martin Kuball 研究团队提出了一种降低氮化镓/金刚石有效界面热阻的新方法，在氮化镓/金刚石界面制作了波纹图案，沉积介电中间层，然后在沉积金刚石之前进行退火处理，进而实现了有效界面热阻的降低。相关研究成果以“Thermal boundary resistance reduction by interfacial nanopatterning for GaN-on-diamond electronics applications”为题发表在ACS Applied Electronic Materials上。
摘要：
碳化硅衬底上的氮化镓高电子迁移率晶体管是目前市面上可用于高功率、高频应用的性能最优的晶体管。然而，焦耳自热效应限制了最大面功率密度，换句话说，为确保氮化镓基器件的使用寿命，需要降低其工作功率。金刚石因高导热率和高电阻率，作为散热片极具吸引力。氮化镓-金刚石器件已得到验证，其设计使得金刚石尽可能靠近有源器件区域。靠近沟道热源的氮化镓/金刚石界面需要高效传导热量，但可能会产生显著的界面热阻。本工作在氮化镓和金刚石之间制作了纳米级沟槽，以探索降低氮化镓/金刚石有效界面热阻的新策略。通过这种方法，氮化镓/金刚石的有效界面热阻降低至原来的三分之一，这与接触面积的增加相吻合。热性能通过纳秒瞬态热反射法进行测量。此外，氮化镓和金刚石之间的 SiNx 中间层通过退火处理热导率提高了一倍，进一步降低了有效界面热阻。这项工作表明，通过纳米结构图案化和高温退火可以优化异质界面热阻，为未来器件应用中增强热管理铺平了道路。
文章信息：
X. Y. Ji, S. C. Vanjari, D. Francis, et al. Thermal boundary resistance reduction by interfacial nanopatterning for GaN-on-diamond electronics applications. ACS Appl. Electron. Mater., 2025, 7(7): 2939-2946.
DOI: 10.1021/acsaelm.5c00119
#5
退火处理金刚石晶体（100）与（111）晶面的表面织构演化研究
石墨烯-金刚石是一种由金刚石基底和石墨烯覆盖层组成的复合材料，其特性和潜在应用取决于石墨烯层相对于金刚石表面的取向，在超快电子电路、微等离子体、场发射源等领域具有应用前景。石墨烯-金刚石可通过退火方法进行制备。然而，高温退火条件下金刚石向石墨烯的转变机制并不明确。近期，俄罗斯尼古拉耶夫无机化学研究所 O.V. Sedelnikova 研究团队研究了具有天然未抛光晶面的合成金刚石晶体的（111）和（100）面的形貌和织构，并研究了其形成机理。相关研究成果以“Texture of (100) and (111) faces of annealed diamond crystal”为题发表在Applied Surface Science上。
摘要：
碳原子的 sp2 和 sp3 杂化协同组合有着多种应用。在各种结构参数中，sp2-sp3 复合材料中界面层的织构或许是影响其功能特性的最重要因素之一。在本研究中，探究了合成金刚石在 1250 ℃ 高真空退火过程中的石墨化初期阶段。通过高分辨率透射电子显微镜、X 射线光电子能谱、角分辨近边 X 射线吸收精细结构谱测试，并结合密度泛函理论计算进行研究。结果表明，石墨化层的织构可以通过退火金刚石晶面的对称性及缺陷工程来控制。具体而言，在（100）晶面上形成了与金刚石层融合的拱形结构，而在（111）晶面上则形成了纳米石墨。在（111）晶面上，石墨烯片层主要垂直于晶面取向，并且可以在蚀坑中平行生长。本文还讨论了金刚石石墨化的结构演变阶段，包括金刚石表面的重排、碳原子的脱离、无定形 sp2 碳层的形成，以及 sp2 碳层随后凝聚成与金刚石表面共价键合的纳米石墨的过程。
文章信息：
A. V. Okotrub, O. V. Sedelnikova, D. V. Gorodetskiy, et al. Texture of (100) and (111) faces of annealed diamond crystal. Appl. Surf. Sci., 2025, 701: 163270.
DOI: 10.1016/j.apsusc.2025.163270
#6
金刚石中光谱稳定的锡空位中心电荷态跃迁研究
金刚石中的色心有望应用于量子信息处理，具有代表性的色心是氮空位（NV）色心。然而，NV 色心存在零声子线占比低的问题，并且会受到外部噪声引起的光谱扩散的影响。与硅-空位和锗-空位中心相比，基于重原子锡（Sn）和铅（Pb）的色心在基态对声子效应具有更强的鲁棒性，有望在开尔文温度下实现毫秒级的自旋相干。在固态材料中制备稳定的量子发射体具有挑战性，并且当发射体的荧光不稳定时，深入了解电荷态动力学非常重要。近期，日本东京科学大学 Takayuki Iwasaki 研究团队对金刚石中具有低应变和少量缺陷的高质量锡-空位（SnV）色心进行统计观察，研究不同激光照射条件对其稳定性的影响，从而获得了较窄的非均匀分布。相关研究成果以“Charge state transition of spectrally stabilized tin-vacancy centers in diamond”为题发表在ACS Photonics上。
摘要：
固态量子发射器是量子信息处理的重要平台。制备具有稳定光子频率和窄线宽的固态量子发射器，了解固态量子发射器保持亮电荷态或转变为暗态的光学条件至关重要。为此，本研究探究了金刚石中 SnV 色心的光谱稳定性和电荷态转变。在共振激发下，多个 SnV 色心的光致发光激发光谱随时间基本保持稳定，且线宽接近变换极限，而同时照射共振和非共振激光会使 SnV 色心的光谱变得不稳定。这种不稳定性是电荷态转变为暗态所导致。根据激光功率对电荷态转变速率进行了定量研究。最后，通过第一性原理计算对激光照射下 SnV 色心的电荷态转变进行了建模。
文章信息：
K. Ikeda, Y. Chen, P. Wang, et al. Charge state transition of spectrally stabilized tin-vacancy centers in diamond. ACS Photonics, 2025.
DOI: 10.1021/acsphotonics.4c02490
编辑丨刘淑雅
本期编译
赵呈春，博士，副研究员，博士生导师。现任中国科学院上海光学精密机械研究所激光晶体研究中心副主任。任《人工晶体学报》青年编委，中国稀土学会稀土晶体专业委员会委员。主要从事激光晶体和金刚石的生长及其应用研究，以第一作者/通讯作者发表 SCI 论文 20 余篇，获授权发明专利 8 项。作为主持人、课题负责人承担国家自然科学基金面上项目、JKW 领域基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金区域创新发展联合基金等项目。
来源：宽禁带联盟
