高質(zhì)量金剛石薄膜的開發(fā)對于推動量子技術(shù)、電力電子和熱管理的發(fā)展至關(guān)重要。離子注入和剝離技術(shù)已成為制造具有可控厚度和大面積金剛石晶片可擴展生產(chǎn)金剛石薄膜的關(guān)鍵方法。
       萊斯大學的研究人員提出了一種結(jié)合離子注入、外延生長和電化學剝離的高效方法，用于制備高質(zhì)量金剛石薄膜。相關(guān)工作以“Ion‐Implantation, Epilayer Growth, and Lift‐Off of High‐Quality Diamond Films”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

       首先，采用3 MeV碳離子（C2+）注入商業(yè)化學氣相沉積（CVD）金剛石襯底，形成深度約1.6 μm的非晶碳層；隨后通過微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）系統(tǒng)進行外延生長（甲烷和氫氣為氣源，溫度約800°C），在生長過程中無需高溫退火，非晶碳層直接轉(zhuǎn)化為石墨層，并通過高分辨透射電鏡（HRTEM）和電子能量損失譜（EELS）驗證其結(jié)構(gòu)演變；最后利用電化學刻蝕選擇性去除石墨層，實現(xiàn)外延層的高效剝離，同時保留襯底的低粗糙度（0.3 nm），支持多次循環(huán)使用。該方法通過界面動態(tài)調(diào)控和原位石墨化機制，顯著提升了金剛石薄膜的純度（氮空位中心密度接近電子級標準），為量子技術(shù)和高性能電子器件提供了可持續(xù)制備方案。

       這項研究促進了對離子注入商業(yè)金剛石襯底上金剛石外延層生長過程中關(guān)鍵界面動力學的理解。利用高分辨率橫截面電子顯微鏡和光譜分析，在外延層過度生長期間，受損金剛石層直接轉(zhuǎn)化為石墨層，無需高溫退火。沿側(cè)面截面的拉曼和光致發(fā)光光譜映射突出了外延層的卓越品質(zhì)和純度，展示了與電子級金剛石相當?shù)牡瘴恢行拿芏龋蛊浞浅＿m合量子和電子應(yīng)用。最后，外延層通過電化學蝕刻有效分離，留下表面粗糙度低的基板，可在多個生長周期中重復(fù)使用。這些結(jié)果為改進離子注入和剝離過程、彌合界面演變中的關(guān)鍵差距以及為跨各種技術(shù)應(yīng)用的可持續(xù)、高性能金剛石薄膜奠定基礎(chǔ)提供了寶貴的見解。

       圖文導(dǎo)讀