导语：精密设备的非破坏性检测一直是测量和仪器制造领域的重点课题。在研制新一代硅基量子计算机时，非破坏性纳米尺度的成像观察更是举足轻重。
关键词：原子力显微镜; 非破坏性检测; 量子计算机; 纳米科技
置于硅晶体表面下方5到15纳米的3D结构磷原子层
图片来源：《科学进展》
近日，一支国际科研团队开发出了一种可以定位和表征硅晶体内部不同结构的非破坏性成像技术。该研究确确实实是目前检测和测量信息处理领域传统硅芯片的福音，但该研究声名远扬的真正原因可能是它将促使下一代量子信息处理器件的诞生。
在《科学进展》上发表的研究中，奥地利林茨大学、伦敦大学学院、苏黎世联邦理工学院和瑞士洛桑科技理工学院的科研人员使用已被广泛接受的扫描微波显微镜（SMM）识别了硅晶体内部深处的掺质，同时没有对材料产生任何伤害。（掺质是指为改变半导体电学和光学特性而添加的原子。）
SMM的应用范围很广，从表征生物细胞到表征新材料（如石墨烯或标准半导体样品）都有其身影。该技术结合了原子力显微镜（AFM）和矢量网络分析仪（VNA），其中AFM的纳米探针扫描检测样本，VNA则发射探针的扫描微波信号。信号在样本体内反射，其数据由VNA测量。该信号可以测出样品三维结构和电学特性的相关信息。
研究人员利用这种SMM技术将硅晶体表面下磷原子图案层的电学特性成像。通过使用这种技术，研究人员能够将埋在表面下4至15纳米深处1900 ~ 4200个密集堆积的原子成像。
当然，还有其他显微技术可以将这些掺杂剂成像，如二次离子质谱（SIMS）。不过，SMM的突出优势就是它不会修改或者损坏样品。
“我们的技术将在标准硅芯片领域造成全球性影响。标准硅芯片变得愈加精细和复杂，抓拍芯片最小工作部件极为困难和耗时，而且现在的检测技术还会损坏芯片”，Georg Gramse在《IEEE Spectrum》的电子邮件采访中解释说。Georg Gramse是林茨大学领导该研究的博士后。
Gramse还指出对于有兴趣了解国外生产的电子产品内部构造的政府而言，非破坏性成像技术也愈发重要。
确实SMM的非破坏性扫描对经典信息处理领域的硅芯片生产制造颇有裨益，但是Gramse认为该技术将会对研制掺磷硅基量子计算机产生巨大影响。
量子计算机的操作和经典计算机大有不同。后者通过开关晶体管的接通或断开代表数据为1或0。而前者恰恰相反，量子计算机使用量子位。根据量子力学定律，量子位可以处于叠加状态也就是可以同时是1和0。
四年前迈出的最初一步让现今计算机中所用的硅制造量子计算机成为可能。其诀窍就是在硅中植入磷原子。这种方法成功地使用磷原子的核自旋作为量子位，即量子位元。
这项最新研究将极大地推动实现生产掺磷硅基器件的进程，因为SMM可以整合到与之结构相同的硅器件成像扫描探针仪器中。这将显著地提高产出三维成像结构的速度。这是因为在原子掺杂尺度的整个光刻分子束外延（MBE）过程中，与之结构相同的器件成像扫描探针仪器也允许原位和迭代控制。
Gramse补充说：“目前我们正在研究受电器件上磷原子层的物理行为，这是通往硅基量子计算机的下一步。”
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（翻译：赵小娜；审校：杨玉洁）
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