芯耀
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在量子技术领域，纳米金刚石（Nanodiamond, ND）被认为是构建下一代量子传感、量子成像和量子通信器件的关键材料。它能在极小的晶体内部形成独特的量子缺陷——氮-空位（NV）中心，可精确感知磁场、温度乃至单个分子的变化。
然而，要将这些尺寸仅为几十到数百纳米的“量子构件”有序排列在芯片上，长期以来都是一道难题：传统的模板法、原子力显微转移法或自组装工艺要么耗时冗长，要么无法在大面积上稳定实现单颗粒控制。
近日，香港大学电机电子工程系褚智勤教授团队（与南方科技大学、韩国KAIST合作）报道了一项新成果：他们开发出一种基于静电场捕获（electrostatic-trapping）的新方法，在8英寸硅晶圆上实现了82.5%的单纳米金刚石捕获率，整个过程仅需约5分钟。这项研究发表于?Nature Communications Engineering，为量子材料的规模化应用提供了可行路径。
电场“陷阱”精准捕获单颗纳米金刚石
研究团队通过在硅基底上制备微米级圆孔模板，并对其表面进行化学修饰，使孔底带正电、孔壁带负电，从而在孔内形成一个“沙漏形”的静电势场。带负电的纳米金刚石颗粒（表面含羧基–COOH）会被电场吸引到孔底中心，实现精确定位。
实验中，平均直径约150纳米的纳米金刚石经氧化处理后被分散在水溶液中。研究人员将其滴加在模板表面，仅静置5分钟，便可形成均匀的单颗粒阵列。
扫描电镜和暗场成像显示，纳米金刚石在模板孔中心分布集中，偏移距离普遍小于500纳米，表明该方法具有高空间精度与一致性。
计算建模进一步证实，孔内电势分布呈非均匀状态，电荷梯度自然引导颗粒移动至电势最低处——即孔底中央。研究还发现，孔径大小直接决定捕获数量：孔越大，容易形成多颗粒堆积；孔径约3微米时，最适合单颗粒捕获，而孔深度影响相对较小。
快速、可重复、可扩展
这种静电捕获工艺操作简便，仅依靠常规光刻技术和溶液处理即可完成，5分钟内即可在8英寸硅片上制备出规则的纳米金刚石阵列，并可肉眼观察到图案区域。研究团队通过多次重复实验验证，其在25×25孔阵列上实现了82.5%的单颗粒捕获成功率，表现出高度可重复性。
相比以往仅能在毫米尺度实现少量排列的复杂工艺，该方法实现了从实验室到晶圆级的跨越，并可根据孔径精确调控阵列密度，具有良好的可扩展性。
兼容现有CMOS工艺，迈向量子芯片制造
值得注意的是，这项方法完全兼容现有CMOS制造流程。研究团队已在多种异质平台上验证了可行性，包括硅光波导、氮化镓（GaN）纳米柱及金微波天线等。去除模板后，捕获的纳米金刚石仍稳固保持在设计位置，显示出良好的工艺稳定性。
这种兼容性意味着，未来可将纳米金刚石阵列直接集成到标准微电子与光子芯片中，推动量子传感、量子通信及量子计算等领域向实用化迈进。
意义与展望
通过静电场“陷阱”精准操控纳米颗粒的位置，这项研究展示了一种简洁、快速、可量产的纳米级集成方法。它不仅突破了纳米金刚石在大面积排布上的瓶颈，也为未来的量子器件提供了新的制造思路。
褚智勤教授团队的成果表明——量子材料的精准控制不再局限于实验室微观操作，而正在走向晶圆级制造的工业化阶段。随着这一技术的推广，基于纳米金刚石的量子传感、成像与通信设备有望在不久的将来实现规模化生产。
