[发明专利]一种硅终端金刚石表面的制备方法

说明书

一种硅终端金刚石表面的制备方法，本发明是为了解决现有金刚石的氧化是以一种不可控和无序的方式产生多种碳氧键结构，导致了不可控的表面电子态以及随后的对近表面缺陷色心光物理特性的损伤效应的问题。制备方法：一、对金刚石样品进行超声清洗；二、对清洗后的金刚石进行高温真空处理；三、采用磁控溅射在退火后的金刚石表面沉积硅膜；四、将镀硅的金刚石封管，高温加热处理；五、将金刚石放于HF中浸泡处理，完成金刚石表面硅终端的制备。本发明硅终端金刚石表面的制备方法可避免等离子体及湿化学刻蚀方法的随机性，使成键方式相对可控有序，制备工艺较为简单，周期短，可重复性强。

技术领域

本发明涉及硅终端金刚石表面的制备方法。

背景技术

金刚石是具有优异电学性能的宽禁带半导体材料，如高的热导率22Wcm^-1K^-1、高的击穿电场强度10⁷Vcm^-1、高的载流子迁移率2000cm²V^-1S^-1，其适合应用于高性能功率器件。通过对金刚石表面终端进行简单改变来实现表面性能的可调性使得功能化金刚石表面为许多器件应用提供了一个新兴平台，包括生物传感、高效电子发射以及如场效应晶体管的高功率高频电子元件。迄今为止，大多数器件都采用了氢终端或氧终端金刚石表面，二者具有基本相反的特性，如氢终端表面具有负的电子亲和能，而氧终端表面具有正的电子亲和能。然而，氢和氧功能化表面在一些应用中表现并不理想，特别是相关于量子器件方面的应用。最典型的是近表面NV色心在量子寄存器，耦合到光子腔和等离子体器件，精密磁强计和生物传感的应用中，由于近表面色心与由污染物、不协调表面原子和表面不稳定电子能级产生的表面自选浴的相互作用，本可以在金刚石块体中表现出理想性能的NV色心，如长的电子和核自旋相干时间，在这些近表面NV色心器件中的应用仍面临较大挑战。

氢化是已经建立起来的在金刚石表面形成终端的一种方式，单价氢与非饱和键连接并且可以对表面产生完全和强烈的化学钝化。除此之外，氢化使得表面所有悬挂键达到饱和并因此断绝了不可控表面自旋的主要来源。不幸的是，暴露在空气中以后，这些表面会自发地经过一个与铁的生锈相似的电化学反应，通过费米能级向价带的移动建立一个亚表面空穴积累层，使得NV^-态不稳定因此不适合作为磁强计。

金刚石的氧化也是产生金刚石表面终端的一种可选方式；然而，已经建立的氧化方法会以一种不可控和无序的方式产生多种碳氧键结构，导致了多种不可控的表面电子态以及随后的对近表面缺陷色心光物理特性的损伤效应。虽然也制备了其他金刚石表面终端，包括卤化终端表面、氮终端表面以及金属氧化物终端表面，但是这些表面通常面临着与氧终端相似的问题，这是典型的等离子体和湿化学刻蚀工艺随机性的结果。

综上所述，一种有序的由非磁性原子构成且能够与近表面NV色心结构兼容的金刚石表面终端具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有金刚石的氧化是以一种不可控和无序的方式产生多种碳氧键结构，导致了多种不可控的表面电子态以及随后的对近表面缺陷色心光物理特性的损伤效应的问题，而提供一种硅终端金刚石表面的制备方法。

本发明硅终端金刚石表面的制备方法按照以下步骤实现：

一、样品清洗：依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水对金刚石样品进行超声清洗，得到清洗后的金刚石；

二、高真空退火：对清洗后的金刚石进行高温真空处理，得到退火后的金刚石；

三、表面镀硅：采用磁控溅射在退火后的金刚石表面沉积硅膜，得到镀硅的金刚石；

四、封管加热：将镀硅的金刚石封管，管内抽至真空，高温加热处理后得到热处理的金刚石；

五、去除金刚石表面宏观尺度硅膜：将热处理的金刚石放于HF中浸泡处理，完成金刚石表面硅终端的制备。