在一塊 8 英寸晶圓上，如何將上億顆只有百納米大小的納米金剛石精準放進對應的小孔裏？這項聽起來像不可能完成的任務，現在只需要 5 分鐘就能實現。
近期，香港大學副教授褚智勤團隊與南方科技大學、韓國科學技術院等團隊合作，提出了一種基於靜電捕獲的方法，首次實現了在 8 英寸晶圓上陣列化排布單個納米金剛石，良率達 82.5%。這種方法操作簡便，單次操作僅需 5 分鐘，且與成熟的 CMOS（互補金屬氧化物半導體）工藝線兼容。
這項看似複雜的晶圓級集成技術，用一個通俗的類比就能輕鬆理解：想要在 8 英寸晶圓上，精準擺放上億顆“芝麻”（25×25 陣列，150 納米的納米金剛石），每顆芝麻需要精準對應放置在單獨的小孔裏。
傳統方法要麼用鑷子一顆顆夾（原子力顯微鏡），速度過慢；要麼隨機把“芝麻”撒上去（自組裝），成功率低；要麼使用“精密雕刻刀”（電子束光刻）做模具，成本昂貴。
新方法的巧妙之處在於，在小孔襯底底部鋪上“靜電地毯”（帶正電），側壁則貼上“靜電牆紙”（帶負電），這樣形成了“漏斗”狀的靜電場。當倒入帶負電的納米金剛石溶液，這些芝麻被慢慢“吸”到孔洞底正中間位置。更關鍵的是，一個孔精準只進一個顆粒。
圖丨褚智勤教授團隊（來源：受訪者）
該研究不僅展示了實驗結果，還通過系統的理論和實驗研究揭示了納米金剛石沉積數量主要取決於孔洞陷阱直徑的物理機制，爲未來進一步優化和調控陣列精度提供了理論指導。
該技術有望推動納米金剛石量子技術在生物成像、磁場探測、量子通信等領域的商業化應用和普及，並向實用化量子設備陣列製造邁出核心的一步。據悉，團隊已申請專利併成立初創公司 DiamNEX，致力於將技術落地爲產品。
靜電梯度“漏斗”：微米級孔洞如何實現納米級自組裝？
傳統光學捕獲中依賴光場梯度力，想要將納米金剛石顆粒放置在特定位置，通常需要預先挖掘一個尺寸與之相近的孔洞。儘管電子束刻蝕（EBL）可實現高精度，並能夠按需刻蝕孔洞。但是這種方法成本過高，並且由於單次曝光面積過小，難以實現大規模應用。
爲此，研究人員嘗試了一種簡單而反常規的方法：用標準的光刻工藝製備帶有微米級圓孔的掩膜板，掩模材料採用常規的光刻膠，塗覆和去除非常方便。
這種方法不僅成本低，並且在紫外燈或大面積光源照射下，只需要使用普通的光刻膠即可實現大面積曝光。但問題在於，這種方法的精度僅能達到微米級，而且孔洞的面積可能是納米金剛石顆粒的數十倍。
團隊成員進一步提出：或許可嘗試將金剛石納米顆粒放置到孔洞的中間位置。“實際上這只是一種猜想，我們一開始並沒有抱很大希望，只是隨意倒了些包括金剛石顆粒的溶液進去。神奇的是，結果真的看到一些顆粒位於孔洞中間。”褚智勤對 DeepTech 表示。
研究團隊的第一反應是：顆粒出現在正中間的位置這一現象過於反常，他們甚至懷疑是實驗過程中某個環節出現了問題。
一種常規的思路是，如果用了帶負電荷的金剛石納米顆粒，在襯底使用正電荷則能增強二者的吸附概率。但問題是，爲什麼顆粒出現的位置不是邊緣或者其他位置？這其中究竟有怎樣的機制？
於是，他們將目光聚焦在光刻膠側壁。研究人員測試後發現，除了顆粒和襯底，側壁也帶有電荷。在電磁學領域，如果一個帶電顆粒被困住，通常會處於勢阱中。基於此研究人員推測，金剛石納米顆粒停留在孔洞正中間的原因可能也是類似的機制。
圖丨靜電捕獲技術作爲在 CMOS 兼容基底上製備清潔均勻納米點陣列的可擴展方法（來源：Nature Communications）
通過調節側壁和襯底的電荷情況，相當於給它設置了勢壘，從兩個維度調整形成了一種類似“漏斗”的電勢場梯度，進而實現了納米金剛石顆粒的運動限制——更傾向於向電勢最低的孔底中心移動並被牢牢捕獲。研究人員基於這種假設構建了模型，對相關機制進行解釋並得到了驗證。
通過理論模擬研究團隊還發現，有效捕獲區域的寬度和孔洞直徑呈線性關係：直徑 3 微米的孔洞在不同深度下的捕獲寬度，可以穩定在 0.4 微米範圍內且單顆粒狀態能夠穩定持續數小時。
這一理論預測與實驗結果高度一致，即改變孔洞深度對單顆粒捕獲影響不大，而隨着孔洞直徑增加，捕獲顆粒數量則呈遞增趨勢。
爲每顆納米金剛石賦“身份”：實現晶圓級單顆粒精準陣列
建立理論基礎後，研究團隊再回過頭來將實驗進一步優化，並對技術的可重複性和規模化潛力進行了實驗驗證。他們對 25×25 陣列進行了五次獨立重複實驗，不僅結果高度吻合，統計分析也表明，絕大多數被捕獲的納米金剛石集中在距離孔洞中心 500 納米範圍內。
去除模板後，在 25×25 陣列點位中，82.5% 的點位含有單顆納米金剛石，相較於現有的其他方法，單顆粒產率結合 8 英寸晶圓的加工面積具有顯著優勢。
該方法不僅適用於納米金剛石，研究人員還在硅波導、氮化鎵微柱、金質天線三種異質平臺成功集成，驗證了技術的普適性。從理論來看，該技術有望擴展至 12 英寸商用硅晶圓。
圖丨靜電捕獲法具有高度可重複性（來源：Nature Communications）
與常規的納米顆粒，比如硅球或聚合物小球具有均一性質不同，每個金剛石納米顆粒表面化學形貌都有細微差別。此前，領域內並沒有通用性和統一的標準，這會導致不同實驗室中納米金剛石顆粒的分佈不盡相同。
褚智勤表示：“我們的研究對每個納米金剛石顆粒進行了明確的標註，爲它們裝上了‘身份證’，相當於將金剛石納米顆粒從完全無序的石器時代，躍遷到有通用標準、有秩序的工業時代。與此同時，這種標準化也爲後續集成到芯片級量子探測系統奠定了基礎。”
相關論文以《基於靜電捕獲技術的單顆納米金剛石晶圓級集成》（Wafer-scale integration of single nanodiamonds via electrostatic-trapping）爲題發表在 Nature Communications[1]。香港大學博士後景紀祥和博士生王奕程是論文共同第一作者，褚智勤教授擔任通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Nature Communications）
量子探測系統是一種複雜的桌面系統，就像是在一個房間中的各種各樣的光學器件、激光器和光纖，其面臨可擴展性和魯棒性差的挑戰。該技術提供了一種新的解決方案：通過在襯底上週期性排列金剛石量子色心，有望極大提升基於金剛石色心的量子計算的可擴展性。
金剛石納米顆粒是典型的納米尺度量子探測器。目前，量子探測器正朝着片上集成方向發展，並且硅光子學兼容 CMOS 工藝已經較成熟。
“我們期待最終能夠在片上系統上實現量子探測，將原本桌面的複雜光學系統轉變爲芯片級的小型化量子探測，那將是巨大的飛躍。”褚智勤指出，未來芯片級量子探測系統有望集成至便攜設備（例如手機），實現血糖、微量物質等高靈敏度檢測。
圖丨靜電捕獲法與混合平臺及CMOS技術兼容（來源：Nature Communications）
這項研究解決了納米金剛石顆粒規模化排布的問題。現階段，研究團隊正致力於將金剛石納米顆粒引入到硅光子學平臺，希望通過工藝的調整和優化，在不影響三維襯底的前提下，將這些顆粒放到集成光路的特定位置（節點），目前已實現初步結果。
在產業化發展方面，研究團隊認爲，目前該技術在短期內可轉化成簡單形態的產品，並計劃讓科研用戶和相關企業進行測試，再將初代產品迭代，逐步發展爲成熟的產品形態。未來，研究人員將繼續探索如何調控每個納米金剛石的品質，包括其色心數目、位置、品質等，希望推動這一技術早日實現應用落地。
參考鏈接：
1.https://doi.org/10.1038/s41467-026-69590-y
2.https://www.diamnex.com/
排版：胡莉花
