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2023年金刚石研究Highlight

2024-8-1 22:43 收藏邀请

2023年，金刚石相关研究取得了不少令人欣喜的进展，这些成果不仅加深了我们对金刚石特性的理解，也为金刚石的技术应用提供了更多可能性。Functional Diamond编辑团队特此精选了金刚石在电子、量子、MEMS技术、散热、 ...

2023年，金刚石相关研究取得了不少令人欣喜的进展，这些成果不仅加深了我们对金刚石特性的理解，也为金刚石的技术应用提供了更多可能性。Functional Diamond编辑团队特此精选了金刚石在电子、量子、MEMS技术、散热、电化学、金刚石生长以及光学等领域的重要研究进展，让我们一起回顾相关的学术成果。

Diamond research: highlights from 2023. Functional Diamond, 4(1). https://doi.org/10.1080/26941112.2024.2374566.

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金刚石MOSFET

早稻田大学Kawarada教授研究小组和Power Diamonds Systems (PDS)宣布开发出一种常关金刚石MOSFET。他们采用的器件结构中，金刚石表面具有氧化硅终端（C-Si-O 终端），当栅极电压为0 V时，该结构会关闭晶体管。该研究解决了氢终端（C–H）金刚石表面在耐久性、稳定性和制造工艺兼容性方面的不足。

金刚石量子传感

中国科学技术大学杜江峰院士团队在量子精密测量领域取得重要进展，利用单个纳米金刚石内部的氮-空位色心（NV center）进行量子传感。他们通过旋涂技术将纳米金刚石固定在盖玻片上，克服了纳米金刚石颗粒随机转动的问题，在原位条件下实现了对溶液中顺磁离子磁共振光谱的精确原位检测。

该团队还成功设计并制造了一种自旋-力学量子芯片，利用单金刚石氮-空位色心作为原子尺度传感器，并结合微机电技术和硅基纳米工艺，实现了这种可扩展的量子芯片。该成果展示了利用金刚石氮-空位色心自旋量子传感器来研究各种超标准模型的新物理的独特优势。

剑桥大学的研究团队利用金刚石量子磁力计技术探测了反铁磁体赤铁矿中的复杂磁荷分布。该研究首次直接读出了反铁磁自旋织构的涡旋度，揭示了单极、偶极和四极磁荷的分布，并建立了与磁荷的关键联系。这一突破性技术为探索二维单极物理和量子材料中的新现象提供了重要工具。

金刚石MEMS磁传感器

NIMS廖梅勇等开发了一种集成了单晶金刚石（SCD）和巨磁致伸缩FeGa薄膜的芯片式SCD MEMS磁传感器。该传感器利用FeGa薄膜驱动金刚石谐振器，能够感应外部磁场并通过电信号读取谐振信号。该研究显示，这种传感器在室温至500℃范围内，灵敏度可达到3.2 Hz/mT，300℃下噪声水平为9.45 nT/Hz^1/2，谐振频率波动最小值为1.9 × 10^-⁶（室温）和2.3 × 10^-6（300℃）。该研究还实现了带有并行电读出的SCD MEMS谐振器阵列，为开发高灵敏度和高空间分辨率的磁成像传感器奠定了基础。

金刚石热管理应用

大阪公立大学梁剑波等利用金刚石作为衬底，成功制造了GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）。该技术将生长在硅上的AlGaN/GaN/3C-SiC层转移到金刚石衬底上，然后直接在金刚石上键合GaN HEMTs，大幅降低了界面的热阻，增强了散热性能。这项新技术有望实现GaN-on-diamond器件的大规模生产，从而使其实际应用成为可能。

金刚石电化学应用

庆应大学Einaga等合成了多种掺硼氮金刚石（BNDD）薄膜，并研究了硼和氮浓度对电化学CO₂还原的影响。BNDD在甲酸生成的法拉第效率上优于BDD，达到了94.9%。研究表明，BNDD中的氮位点有助于氢的加成反应，与CO₂反应生成中间体[*COOH]或[*OCHO]，显著加速了甲酸的生成。该研究为构建高效电化学CO₂还原金刚石电极提供了新的方法。

金刚石衬底生长

西安交通大学王宏兴团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，成功实现2英寸（约5 cm）异质外延单晶金刚石自支撑衬底的批量化生产。他们通过对成膜均匀性、温场及流场的有效调控，提高了异质外延单晶金刚石成品率。衬底表面具有台阶流生长模式，可降低衬底的缺陷密度，提高晶体质量。XRD（004）、（311）摇摆曲线半峰宽分别小于91 arcsec和111 arcsec，达到世界领先水平。

金刚石激光技术

河北工业大学吕志伟团队首次从理论和实验上揭示了金刚石布里渊激光器在光谱压缩、单频运转和功率拓展方面的可行性。该团队利用金刚石晶体作为增益介质，实现了平均功率高达20.3 W的布里渊激光输出，创造了国际上的最高功率指标。激光线宽压缩率最高达到4倍，线宽缩小至1.77 kHz。这一成果标志着自由空间布里渊激光器首次成功实现了激光线宽的显著缩小，并为获得超窄线宽高功率激光辐射提供了全新的技术路径。

金刚石自愈合能力

北京航空航天大学联合燕山大学田永君院士团队，深入研究了纳米孪晶金刚石复合材料（ntDC）的自愈合能力。他们发现ntDC通过形成强共价键获得显著的自愈合能力。在室温下，ntDC断裂面的自愈合效率达到约34%。该成果为提高金刚石基材料的耐用性和可靠性开辟了新途径，并为强共价键自愈合材料的设计提供了宝贵指导。

期刊官网：

www.functionaldiamond.com

(2021—2025年期间，不收取版面费用）

来源：Functional Diamond

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