港大团队首创静电捕获术，实现纳米金刚石晶圆级规模化集成

在一块 8 英寸晶圆上，如何将上亿颗只有百纳米大小的纳米金刚石精准放进对应的小孔里？这项听起来像不可能完成的任务，现在只需要 5 分钟就能实现。

近期，香港大学副教授褚智勤团队与南方科技大学、韩国科学技术院等团队合作，提出了一种基于静电捕获的方法，首次实现了在 8 英寸晶圆上阵列化排布单个纳米金刚石，良率达 82.5%。这种方法操作简便，单次操作仅需 5 分钟，且与成熟的 CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺线兼容。

这项看似复杂的晶圆级集成技术，用一个通俗的类比就能轻松理解：想要在 8 英寸晶圆上，精准摆放上亿颗“芝麻”（25×25 阵列，150 纳米的纳米金刚石），每颗芝麻需要精准对应放置在单独的小孔里。

传统方法要么用镊子一颗颗夹（原子力显微镜），速度过慢；要么随机把“芝麻”撒上去（自组装），成功率低；要么使用“精密雕刻刀”（电子束光刻）做模具，成本昂贵。

新方法的巧妙之处在于，在小孔衬底底部铺上“静电地毯”（带正电），侧壁则贴上“静电墙纸”（带负电），这样形成了“漏斗”状的静电场。当倒入带负电的纳米金刚石溶液，这些芝麻被慢慢“吸”到孔洞底正中间位置。更关键的是，一个孔精准只进一个颗粒。

图丨褚智勤教授团队（来源：受访者）

该研究不仅展示了实验结果，还通过系统的理论和实验研究揭示了纳米金刚石沉积数量主要取决于孔洞陷阱直径的物理机制，为未来进一步优化和调控阵列精度提供了理论指导。

该技术有望推动纳米金刚石量子技术在生物成像、磁场探测、量子通信等领域的商业化应用和普及，并向实用化量子设备阵列制造迈出核心的一步。据悉，团队已申请专利并成立初创公司 DiamNEX，致力于将技术落地为产品。

静电梯度“漏斗”：微米级孔洞如何实现纳米级自组装？

传统光学捕获中依赖光场梯度力，想要将纳米金刚石颗粒放置在特定位置，通常需要预先挖掘一个尺寸与之相近的孔洞。尽管电子束刻蚀（EBL）可实现高精度，并能够按需刻蚀孔洞。但是这种方法成本过高，并且由于单次曝光面积过小，难以实现大规模应用。

为此，研究人员尝试了一种简单而反常规的方法：用标准的光刻工艺制备带有微米级圆孔的掩膜板，掩模材料采用常规的光刻胶，涂覆和去除非常方便。

这种方法不仅成本低，并且在紫外灯或大面积光源照射下，只需要使用普通的光刻胶即可实现大面积曝光。但问题在于，这种方法的精度仅能达到微米级，而且孔洞的面积可能是纳米金刚石颗粒的数十倍。

团队成员进一步提出：或许可尝试将金刚石纳米颗粒放置到孔洞的中间位置。“实际上这只是一种猜想，我们一开始并没有抱很大希望，只是随意倒了些包括金刚石颗粒的溶液进去。神奇的是，结果真的看到一些颗粒位于孔洞中间。”褚智勤对 DeepTech 表示。

研究团队的第一反应是：颗粒出现在正中间的位置这一现象过于反常，他们甚至怀疑是实验过程中某个环节出现了问题。

一种常规的思路是，如果用了带负电荷的金刚石纳米颗粒，在衬底使用正电荷则能增强二者的吸附概率。但问题是，为什么颗粒出现的位置不是边缘或者其他位置？这其中究竟有怎样的机制？

于是，他们将目光聚焦在光刻胶侧壁。研究人员测试后发现，除了颗粒和衬底，侧壁也带有电荷。在电磁学领域，如果一个带电颗粒被困住，通常会处于势阱中。基于此研究人员推测，金刚石纳米颗粒停留在孔洞正中间的原因可能也是类似的机制。

（来源：Nature Communications）

通过调节侧壁和衬底的电荷情况，相当于给它设置了势垒，从两个维度调整形成了一种类似“漏斗”的电势场梯度，进而实现了纳米金刚石颗粒的运动限制——更倾向于向电势最低的孔底中心移动并被牢牢捕获。研究人员基于这种假设构建了模型，对相关机制进行解释并得到了验证。

通过理论模拟研究团队还发现，有效捕获区域的宽度和孔洞直径呈线性关系：直径 3 微米的孔洞在不同深度下的捕获宽度，可以稳定在 0.4 微米范围内且单颗粒状态能够稳定持续数小时。

这一理论预测与实验结果高度一致，即改变孔洞深度对单颗粒捕获影响不大，而随着孔洞直径增加，捕获颗粒数量则呈递增趋势。

为每颗纳米金刚石赋“身份”：实现晶圆级单颗粒精准阵列

建立理论基础后，研究团队再回过头来将实验进一步优化，并对技术的可重复性和规模化潜力进行了实验验证。他们对 25×25 阵列进行了五次独立重复实验，不仅结果高度吻合，统计分析也表明，绝大多数被捕获的纳米金刚石集中在距离孔洞中心 500 纳米范围内。

去除模板后，在 25×25 阵列点位中，82.5% 的点位含有单颗纳米金刚石，相较于现有的其他方法，单颗粒产率结合 8 英寸晶圆的加工面积具有显著优势。

该方法不仅适用于纳米金刚石，研究人员还在硅波导、氮化镓微柱、金质天线三种异质平台成功集成，验证了技术的普适性。从理论来看，该技术有望扩展至 12 英寸商用硅晶圆。

图丨静电捕获法具有高度可重复性（来源：Nature Communications）

与常规的纳米颗粒，比如硅球或聚合物小球具有均一性质不同，每个金刚石纳米颗粒表面化学形貌都有细微差别。此前，领域内并没有通用性和统一的标准，这会导致不同实验室中纳米金刚石颗粒的分布不尽相同。

褚智勤表示：“我们的研究对每个纳米金刚石颗粒进行了明确的标注，为它们装上了‘身份证’，相当于将金刚石纳米颗粒从完全无序的石器时代，跃迁到有通用标准、有秩序的工业时代。与此同时，这种标准化也为后续集成到芯片级量子探测系统奠定了基础。”

相关论文以《基于静电捕获技术的单颗纳米金刚石晶圆级集成》（Wafer-scale integration of single nanodiamonds via electrostatic-trapping）为题发表在 Nature Communications[1]。香港大学博士后景纪祥和博士生王奕程是论文共同第一作者，褚智勤教授担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature Communications）

量子探测系统是一种复杂的桌面系统，就像是在一个房间中的各种各样的光学器件、激光器和光纤，其面临可扩展性和鲁棒性差的挑战。该技术提供了一种新的解决方案：通过在衬底上周期性排列金刚石量子色心，有望极大提升基于金刚石色心的量子计算的可扩展性。

金刚石纳米颗粒是典型的纳米尺度量子探测器。目前，量子探测器正朝着片上集成方向发展，并且硅光子学兼容 CMOS 工艺已经较成熟。

“我们期待最终能够在片上系统上实现量子探测，将原本桌面的复杂光学系统转变为芯片级的小型化量子探测，那将是巨大的飞跃。”褚智勤指出，未来芯片级量子探测系统有望集成至便携设备（例如手机），实现血糖、微量物质等高灵敏度检测。

（来源：Nature Communications）

这项研究解决了纳米金刚石颗粒规模化排布的问题。现阶段，研究团队正致力于将金刚石纳米颗粒引入到硅光子学平台，希望通过工艺的调整和优化，在不影响三维衬底的前提下，将这些颗粒放到集成光路的特定位置（节点），目前已实现初步结果。

在产业化发展方面，研究团队认为，目前该技术在短期内可转化成简单形态的产品，并计划让科研用户和相关企业进行测试，再将初代产品迭代，逐步发展为成熟的产品形态。未来，研究人员将继续探索如何调控每个纳米金刚石的品质，包括其色心数目、位置、品质等，希望推动这一技术早日实现应用落地。

1.https://doi.org/10.1038/s41467-026-69590-y

2.https://www.diamnex.com/

排版：胡莉花