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解锁金刚石“变形”新技能 我校刘晓兵教授团队成功制备n型多元共掺杂金刚石单晶

发布日期 : 2019-10-29 22:21:27

“说起金刚石,大家首先想到的可能就是钻石,但如果只是用做首饰,那就太低估了金刚石的价值。”在我校物理工程学院刘晓兵教授看来,“变形”后的金刚石才是人类未来的巨大财富,其关于金刚石向着半导体“变形”的最新研究成果,更是为攻克材料物理界的瞩目难题再下一城。

4月1日,国际顶尖期刊 《美国国家科学院院刊》(英文缩写PNAS)刊发我校刘晓兵教授(实验)和陈欣教授(理论)研究团队关于高压制备n型导电金刚石的最新研究成果《Boron-oxygen complex yields n-type surface layer in semiconducting diamond》(论文链接:https://www.pnas.org/content/early/2019/03/28/1821612116)。刘晓兵教授为论文第一作者与通讯作者,陈欣教授为论文第二作者与合作通讯作者,曲阜师范大学为论文第一作者与通讯作者单位。《美国国家科学院院刊》创刊于1914年,与 《Nature》 《Science》 《Cell》一起被公认为世界四大名刊。


“在半导体方面,20世纪是硅的天下,21世纪则是金刚石的天下。”刘晓兵教授说,除了为人熟知的最坚硬特质之外,金刚石还具有最大热导率、最宽透光波段、耐腐蚀、抗辐射、高载流子迁移率等多种优异物理性能,被认为是下一代半导体材料的“霸主”,由其制成的高性能半导体器件在军事通信、超级计算机、高精密探测、航空航天电子设备等领域具有巨大的应用前景,在国际上备受重视。

前景虽然美好,但挑战也十分艰巨。“制作半导体器件必须既有p型半导体又有n型半导体,但金刚石一直很难成为n型半导体。”刘晓兵教授介绍,纯净金刚石可以通过掺杂少量硼元素而形成p型半导体,但n型金刚石半导体的制备目前仍是材料物理界最富有挑战性的课题之一。

此前,很多研究都设法通过在金刚石结构中掺杂氮、硫、磷元素来制备n型半导体。与此不同,刘晓兵教授带领团队发现了通过硼、氧共同掺杂来调节金刚石导电性能的新路径,利用高温高压合成技术实现了n型多元共掺杂金刚石单晶的制备。该团队研究发现,在高温高压条件下,通过调节金刚石晶体中硼、氧元素的比例,可以实现p型向n型电导转变,制备出n型金刚石半导体。而且,与其他研究相比,这一方法能将n型金刚石半导体的载流子浓度提高近100倍,更加有助于推进金刚石半导体的实践应用。


该研究成果是利用极端条件科学装置开展新材料物理研究的典型案例,其实验工作主要依托我校物理学科的高压实验室完成。这一实验室是山东省内首个可以同时利用六面顶大腔体液压设备在7.0 GPa高压、2700 K高温条件下开展材料合成实验,并可利用金刚石对顶砧与激光加热技术在100 GPa及1.8–4000 K范围内开展材料物性原位测试的实验平台。该项研究得到了国家自然科学基金委、山东省一流学科建设项目、曲阜师范大学人才引进专项等资金资助。


(作者:李文振  来源:宣传部  编辑:宣传部新闻中心  责编:李文振)

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