近日，日本國立物質材料研究所廖梅勇主席研究員團隊的AMR述評文章“Low-Energy Dissipation Diamond MEMS”在線發表。文章基于實驗室開發的“智能剪切”法所制備的器件，概述了實現超高品質因子單晶金剛石微機電系統的最新研究進展與策略。這些策略代表了推動金剛石MEMS諧振子性能提升與應用擴展的關鍵技術。

       關鍵詞：金剛石；MEMS；品質因子；共振特性；能量耗散

       1、文章內容簡介

       微機電系統（Micro-Electromechanical Systems, MEMS）因其高靈敏度、可批量生產、低功耗和易集成等優勢，在過去三十年得到迅速發展。MEMS廣泛應用于各領域，從汽車安全中的加速度計和陀螺儀，到消費電子中的精密參考振蕩器，再到原子力顯微鏡探針和引力波探測傳感器。品質因子（Quality Factor, Q）是MEMS諧振子的基本參數，決定了器件的靈敏度、噪聲水平、能耗效率和穩定性。盡管傳統半導體硅基MEMS由于其成熟的微電子技術，已經取得了卓越的進步，但其固有材料特性限制了靈敏度、穩定性和可靠性，尤其是在極端條件下的應用。單晶金剛石（Single-Crystal Diamond, SCD）憑借其優異的材料特性，例如極高的機械強度、卓越的電學性能、最高的熱導率和化學惰性，已成為制備高靈敏度和高可靠性MEMS的理想材料（圖1）。因此，金剛石MEMS表現出高品質因子、高可靠性、低熱機械力噪聲和長機械量子態相干時間，不僅能提升MEMS器件性能，還能擴展至量子領域。此外，SCD不存在晶界和其他碳相，是實現超低能量損耗（或超高品質因子）MEMS諧振子的最優選擇。然而，SCD微加工非常困難，而且在異質襯底上進行SCD的外延生長仍然具有挑戰性。

圖1 高品質SCD M/NEMS的制備及應用

       在這篇述評中，我們概述了實現超高品質因子SCD MEMS的最新研究進展與策略，主要基于我們實驗室開發的“智能剪切”法所制備的器件。首先，我們介紹了金剛石MEMS的概念，包括結構設計、基本原理和應用。隨后詳細討論了金剛石MEMS諧振子中影響品質因子的能量損耗機制。我們主要提出了三種提升金剛石諧振子品質因子的策略（圖2），包括：①在離子注入襯底上生長高晶體質量的SCD外延層；②超高真空退火減少晶體缺陷，以及原子層級氧刻蝕消除缺陷層的缺陷工程；以及③通過將諧振器減薄至約100 nm厚度的應變工程。在“智能剪切”法中，約100 nm厚的缺陷層是主要的本征能量損耗來源。通過在缺陷層之上生長高晶體質量的金剛石外延層，并對缺陷層進行原子尺度的刻蝕，品質因子可以從幾千提高到超過一百萬（室溫下），這是所有半導體材料中最高的。SCD MEMS的高品質因子還得益于外延層的純度控制以及金剛石的超寬禁帶。通過對SCD MEMS進行納米尺度的應變工程，品質因子有望得到進一步增強。這些策略代表了推動金剛石MEMS諧振子性能提升與應用擴展的關鍵技術。

圖2 金剛石MEMS的能量耗散機制及品質因子增強策略

AMR：請問您選擇該領域的初心是？

作者團隊：

新一代半導體——金剛石，具有5.5 eV的超寬帶隙，被稱為終極半導體，是當前國際材料科學研究的前沿和熱點之一。單晶金剛石由于其無與倫比的材料特性，具有理論最高共振頻率和最高品質因子，確保了制備器件的靈敏度、可靠性和響應速度，成為克服傳統半導體基MEMS本征缺陷的理想材料。通過厘清金剛石MEMS的能量耗散機制，并探究納米尺度下NEMS諧振子的尺寸效應和應變工程，可以進一步增強其品質因子，實現超高品質因子、極低能量耗散的SCD NEMS諧振子，用于制備超高靈敏度和超高可靠性的NEMS傳感器件。因此，單晶金剛石MEMS/NEMS成為我們團隊的研究焦點。

AMR：您對該領域的發展有何愿景？

作者團隊：

納米尺度的納機電系統（Nano-Electromechanical Systems, NEMS）由于其更小的尺寸、更輕的質量和更低的功耗，能夠提供比微米級MEMS更高的集成度、靈敏度和探測率。然而，當器件尺寸進入納米尺度時，傳統半導體基NEMS會出現表面能量損耗高和熱穩定性差等問題，限制其靈敏度和可靠性，給實際應用帶來難題。如硅，碳化硅以及III-V族氮化物半導體等都有天然固態氧化層，在進入納米尺度時，表面能耗占據主導，會極大地降低NEMS振子的品質因子。SCD由于具有最高機械強度和楊氏模量，無固態氧化層，能夠提供最高共振頻率和品質因子，從而能夠克服這些問題。這為開發面向高頻率、高精度和極端環境下應用的高靈敏度和高可靠性NEMS傳感器提供了重要基礎，結合金剛石中氮-空位色心的可控研究，高品質因子SCD NEMS諧振器件在量子傳感和5G通信等未來關鍵領域展現出巨大潛力和應用價值。

       作者團隊簡介

       陳果，中國地質大學（北京）材料科學與工程學院博士研究生，日本國立材料研究所（NIMS）訪學博士生。主要從事單晶金剛石MEMS/NEMS的制備及其高性能傳感器的開發。

       小泉 聡， 1993年在青山學院大學獲得電氣電子工程博士學位，現任日本國立材料研究所（NIMS）超寬禁帶半導體課題組組長，其研究領域主要是n型金剛石半導體材料生長。

       小出 康夫，1988年在名古屋大學獲得電子工程博士學位，現任日本國立材料研究所（NIMS）次世代半導體課題組組長，長期致力于寬禁帶半導體材料光-電器件的研究。

       廖梅勇，1996年、1999年分別獲得中國蘭州大學學士和碩士學位，2002年獲得中國科學院半導體研究所（香港城市大學COSDAF聯合培養）博士學位。2002年至2004年于京都大學擔任訪問副教授。2004年加入日本國立材料研究所（NIMS）擔任博士后研究員，并于2008年被聘為主任研究員。目前擔任NIMS主席研究員，主要研究方向包括半導體金剛石生長、MEMS以及半導體電子和光電子器件。