文章亮點日本國立物質材料研究所廖梅勇研究團隊通過智能剝離（smart-cut）技術，成功制備出高質量的單晶金剛石微機電系統懸臂梁和薄片，并實現其在SiO?/Si基底上的無損轉移。通過拉曼、光致發光和陰極發光測試，研究團隊有效消除了金剛石外延層光譜中來自基底的干擾，實現了對高純度外延金剛石薄膜光學特性的精確表征。
金剛石被譽為“終極材料”，具有極高的硬度、超寬禁帶、高熱導率和出色的光學透明性，是下一代高性能光電子器件、量子傳感和微機電系統（MEMS）的理想材料。然而，在傳統的鉆石外延生長與表征過程中，由于樣品仍附著在母體基底上，光譜信號常受到基底干擾，導致外延層的本征特性難以準確測量。這一問題嚴重制約了高品質單晶金剛石薄膜在光學和量子器件中的應用。
為解決這一問題，日本國立物質材料研究所廖梅勇研究團隊引入智能剝離技術，通過選擇性去除埋藏的石墨層，使單晶金剛石薄膜可無損從基底剝離并轉移至異質基底上，從而徹底消除基底信號干擾。
該研究采用碳離子注入輔助的智能剝離法制備單晶金剛石MEMS懸臂梁與薄片。樣品經過高溫氧氣退火處理后，去除了注入造成的損傷層，確保結構完整。隨后，通過顯微探針將金剛石結構成功轉移至SiO?/Si基底上，實現100%轉移率且無機械損傷。通過機械共振測試評估懸臂梁的Q值和結構完整性，并用拉曼光譜分析應力與晶體缺陷，驗證基底干擾的消除，最后利用光致發光與陰極發光測試研究光學純度與激子發射特性。實驗對比了四種樣品：未注入區域、離子注入區域、轉移后的懸臂梁與薄片。通過系統光譜分析，驗證智能剝離法在去除基底信號方面的有效性。
圖1 實驗流程圖
研究成果
該研究通過智能剝離技術，創新性地解決了單晶金剛石薄膜光學表征中“基底信號干擾”這一難題，實現了高純度外延金剛石薄膜的獨立表征與性能驗證。成功制備并轉移了高品質單晶金剛石MEMS懸臂梁與薄片結構，在消除母體基底影響后，獲得了清晰、穩定的拉曼和發光信號。
結果顯示：拉曼光譜證明外延層晶體結構完整、應力均勻；光致發光測試未發現氮或其他缺陷中心相關峰，表明材料純度極高；陰極發光分析揭示出約236 nm 的穩定激子發射，對應金剛石典型帶隙（約5.2 eV），顯示出優異的光學特性。
這些成果充分展示了該技術在提升單晶金剛石材料表征精度和推動高性能光電子及MEMS器件研發中的巨大潛力，為未來實現更高可靠性、更低損耗的金剛石器件提供了關鍵材料支撐。
相關成果以“Optical properties of single-crystal diamond MEMS: mitigating substrate interference”為題，發表在Functional Diamond期刊上。文章第一作者為博士生顧克云。
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引用格式：
Gu, K., Zhang, Z., Zhang, Z., Huang, J., Koide, Y., Koizumi, S., & Liao, M. (2025). Optical properties of single-crystal diamond MEMS: mitigating substrate interference. Functional Diamond, 5(1). https://doi.org/10.1080/26941112.2025.2570362
廖梅勇博士是日本NIMS的首席研究員。2002年獲中國科學院半導體研究所博士學位（與香港城市大學半導體研究院聯合）。主要研究方向為半導體金剛石、物理、光電器件、MEMS等。他是單晶金剛石MEMS的先驅，發明了世界上第一個金剛石n溝道MOSFET。廖博士主持了由日本科學促進會（JSPS）等資助的約20個國家項目。發表同行評議論文230余篇，被引用17000余次，h指數66。他是Nature, Nature Nanotech., Nature Comm., Adv. Mater., Nano Lett., IEEE EDL等期刊的審稿人。他是Functional Diamond （Taylor & Francis）的聯合主編。
金剛石具有特殊的物理性能，適用于極端電子和MEMS應用。然而，n溝道金剛石晶體管的發展一直很困難。此外，單晶金剛石（SCD） MEMS結構的制造一直受到其特殊硬度和異質外延SCD生長困難的限制。在這次演講中，我們介紹了在我們實驗室開發的金剛石CMOS技術，包括在相同的n型金剛石涂層上的n溝道和p溝道金剛石MOSFET。我們還推出了結合超高靈敏度和卓越可靠性的金剛石MEMS傳感器。討論了這些金剛石器件的基本原理和未來的研究方向。
來源：Functional Diamond
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