鉆石不只是珠寶,它可能是下一代高性能電子設(shè)備、量子計(jì)算機(jī)甚至深空探測(cè)器的核心材料。但長(zhǎng)期以來,科學(xué)家一直被一個(gè)難題困擾:如何大規(guī)模制造超薄、高質(zhì)量、無缺陷的單晶金剛石薄膜?如今,一支國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)終于找到了答案——他們開發(fā)出一種可擴(kuò)展的新方法,能像“剝洋蔥”一樣,從一塊普通金剛石上剝離出原子級(jí)平整的薄膜,厚度僅幾百納米,卻保留了金剛石最珍貴的物理特性。
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金剛石被譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”:它的導(dǎo)熱率是銅的五倍,擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的30倍,能在極端高溫、高壓或輻射環(huán)境下穩(wěn)定工作。此外,金剛石中的氮-空位色心(NV centers)是實(shí)現(xiàn)室溫量子傳感和量子通信的理想平臺(tái)。然而,傳統(tǒng)制造方法要么成本極高(如化學(xué)氣相沉積需在800°C以上生長(zhǎng)),要么難以控制厚度與純度,更無法量產(chǎn)大面積薄膜。
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新方法巧妙繞開了這些障礙。研究人員首先在標(biāo)準(zhǔn)單晶金剛石襯底上,用離子注入技術(shù)埋入一層氫原子,形成一個(gè)“弱化層”。隨后,通過溫和加熱或機(jī)械剝離,就能將頂層的金剛石薄膜完整揭下——就像撕下一張透明膠帶。最關(guān)鍵的是,這一過程不破壞晶體結(jié)構(gòu),所得薄膜表面粗糙度低于0.3納米,幾乎達(dá)到原子級(jí)光滑,且可重復(fù)用于多次剝離,大幅降低成本。
團(tuán)隊(duì)已成功制備出直徑達(dá)4英寸(約10厘米)的金剛石薄膜,并驗(yàn)證其在高頻電子器件和量子傳感器中的優(yōu)異性能。例如,在原型功率晶體管中,該薄膜展現(xiàn)出極低的能量損耗;而在量子實(shí)驗(yàn)中,其NV色心的相干時(shí)間遠(yuǎn)超多晶金剛石,意味著更穩(wěn)定的量子信息存儲(chǔ)能力。
更重要的是,這項(xiàng)技術(shù)兼容現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝。未來,金剛石芯片或許能集成到5G基站、電動(dòng)汽車逆變器、衛(wèi)星通信系統(tǒng),甚至植入式醫(yī)療設(shè)備中——因?yàn)樗粌H高效,還生物相容、化學(xué)惰性。
“我們不是在發(fā)明新材料,而是在解鎖金剛石本就具備、卻被制造技術(shù)限制的潛力,”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人表示,“這就像終于找到了打開寶箱的正確鑰匙。”
雖然距離消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品還有數(shù)年,但這項(xiàng)突破已被視為金剛石電子學(xué)走向?qū)嵱没睦锍瘫.?dāng)硅基芯片逼近物理極限,人類或許正站在“金剛石時(shí)代”的門檻上。
爆款標(biāo)題:
- 鉆石芯片要來了!科學(xué)家突破量產(chǎn)超薄金剛石薄膜
- 不再只是寶石!可量產(chǎn)金剛石薄膜開啟下一代科技革命
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