最近，由哈尔滨工业大学、南丹麦大学、英国布里斯托大学、德国亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心、比利时根特大学、山东理工大学、中南大学和比利时鲁汶大学的研究人员组成的国际团队发现，尽管金刚石极具在半导体工业和量子电子学等领域开辟新模式的希望，但其耐热性较低，超过600 °C的退火温度会对其晶格结构和电子性能造成实质性的破坏。这一发现对金刚石在电子元器件中的应用具有重要指导意义。相关研究结果以“Annealing-Induced Evolution of Boron-Doped Polycrystalline Diamond”为题发表在《Physical Review Materials》上。
Annealing-Induced Evolution of Boron-Doped Polycrystalline Diamond, Gufei Zhang, Jiaqi Zhu, Sen Zhang et al., Physical Review Materials 8, 044802 (2024).
DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.8.044802
当今使用的许多电子元器件都因其核心材料有限的物理性能而效能欠佳。因此，科研人员加大了探索和研究具有先进物理特性的材料的力度，以开发新兴的电子技术，进而实现经济的可持续性增长。
在各种候选材料中，金刚石因其具有的一系列优异的本征特性，如极高的热导率，及其大范围可调的电子学性能 (未掺杂时高度绝缘，少量硼掺杂时呈半导体电性，高浓度硼掺杂时具有金属电性和超导电性)，而被誉为下一代电子元器件的理想材料。在过去的数十年间，金刚石的人工合成技术获得了极大发展。与单晶金刚石薄膜相比，多晶金刚石薄膜可以沉积在异质衬底上，如硅片，这使得其成本更低，并可以直接集成到现有的微电子工业中。
金刚石在电力电子、光电子、机电系统和电化学传感等多种应用中都展示了其无与伦比的优异性能。考虑到当今开采的天然钻石大多是由火山爆发带到地球表面的，人们自然会期望它们的人工合成对应物具有很高的耐热性。因此，有研究者建议将实验室培育的金刚石应用于极端环境，如高温电子设备。
在这项工作中，国际合作团队系统性地研究了高浓度硼掺杂多晶金刚石薄膜在不同退火温度下的结构和电输运性质。通过将掠入射x射线衍射和激光拉曼光谱与电输运测量结合，团队测量和分析了退火诱导的金刚石薄膜的演化。数据表明，金刚石极易受到热损伤，超过600 °C的退火会导致金刚石薄膜严重的局部非晶化，并将其转变为由空间分离的非晶碳和金刚石纳米晶组成的二元混合物。由于退火诱导的形貌变化和相分离，硼位点电子局域半径αH显著减小，系统的正常态发生金属-绝缘相变。此外，由于同样的原因，体系的低温超导电性减弱，Ginzburg-Landau相干长度ξGL急剧增加。这些研究成果对于掺硼多晶金刚石在电子元器件中的应用具有重要的指导意义，因为如果器件工作在600 °C以上，其性能很有可能会急剧下降。即使在低于该阈值的温度下工作，材料性能的缓慢退化也可能导致设备寿命缩短。
本项工作深入探究了金刚石转化为非晶碳的物理机理，并通过揭示金刚石的耐热性来帮助确定金刚石的应用范围。本研究对碳材料科学与技术具有重要的指导意义。
这项工作得到了哈尔滨工业大学创新基金项目(HIT.DZJJ.2023041)、郑州市科技重大专项(2021KJZX0062)、河南省科技重大专项(221100230300)、山东省杰出青年科学基金(海外)项目(2023HWYQ-079)和国家自然科学基金项目(11904411)的资助。
