Уникальная кристаллическая структура алмазов, обеспечивающая их исключительную устойчивость к электрическому напряжению и оптимальную теплоотдачу, делает их высоко ценимым материалом в области электроники. Недавние исследования привели к достижению цели, которая долгое время считалась недостижимой: их интеграция в кремниевые чипы без ущерба для присущих алмазам свойств. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Diamond and Related Materials, этот прогресс может изменить индустрию кремниевой микроэлектроники и стимулировать развитие квантовых вычислений.
Использование синтетических алмазов в кремниевых схемах уже давно наталкивается на серьезные технические препятствия. Разница между кристаллической структурой алмаза и кремния представляет собой первую трудность, внося дефекты, которые могут ухудшить электронные характеристики устройств. Кроме того, производство синтетических алмазов часто основано на процессах HPHT (высокое давление, высокая температура), которые несовместимы с производством кремниевых чипов, требующих более умеренных температурных условий.
Хотя синтетические алмазы можно производить при температуре от 700 до 1200 °C с помощью процесса химического осаждения из паровой фазы, усиленного плазмой, предыдущие эксперименты показали, что этот метод может привести к образованию сажи. Этот осадок изменяет свойства алмазов, снижая их эффективность в электронных, оптических и детекторных системах.
Прорыв стал возможен благодаря сохранению критической температуры
Команда под руководством Юрия Барсукова из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) преодолела эти трудности. По словам Барсукова, процесс похож на кристаллизацию воды в лед: решающую роль играет «критическая температура». В пресс-релизе он объясняет: «Если мы хотим интегрировать алмаз в кремниевые устройства, нам необходимо контролировать его рост при низких температурах». «Выше этой критической температуры ацетилен способствует росту алмаза. Ниже этой температуры он генерирует в основном сажу», — добавляет он.
Команда продемонстрировала, что концентрация ацетилена и водорода имеет решающее значение. Хотя водород не участвует непосредственно в росте алмазов, он играет роль катализатора при более низких температурах, что улучшает качество получаемых алмазов. Освоение этой стадии процесса играет ключевую роль в их интеграции в передовую электронику. Однако в квантовых вычислениях задачи остаются более сложными, требуя алмазов особой чистоты и структуры.
Алмазы и квантовые вычисления: многообещающий союз?
Свойства алмазов делают их идеальным материалом для квантовых вычислений и безопасных коммуникаций. В другом исследовании, проведенном под руководством ученых из PPPL, Принстонского университета и Королевского технологического института Мельбурна, изучались возможности улучшения синтетических алмазов для создания кубитов и прецизионного детектора. Исследование, опубликованное в июле 2024 года в журнале Advanced Materials Interfaces, было посвящено защите квантовых алмазов — специализированной формы, в которой некоторые атомы углерода заменены на азот, образуя NV-центр или азото-замещённая вакансия в алмазе.
Эти центры необходимы для использования квантовых свойств алмазов, но их сохранение остается сложной задачей. Исследователи разработали два метода для достижения этой цели: «отжиг пластового газа» (смесь водорода и азота для стабилизации дефектов) и «холодное плазменное завершение». Цель этих методов — нанести защитный слой водорода, не затрагивая основную структуру центров.
Следующим шагом, по словам исследователей, будет совершенствование этих методов для получения гидрогенизированных алмазных поверхностей, которые идеально подходят для передовых электронных приложений, сохраняя при этом азотно-лакунные центры. Эти достижения могут проложить путь к созданию вычислительных технологий следующего поколения, сочетающих в себе энергоэффективность и производительность.
