索引

       1、金剛石-氧化鎵截面熱傳導的分子動力學研究

       2、絕緣層/金剛石界面原子級成像

       3、CVD金剛石中硅空位中心的室溫光致變色

       4、用于光子應用的飛秒激光輻照應變弛豫硅空位中心納米金剛石薄膜

       5、門電壓調控靈敏度和響應速度的高性能金剛石基光敏晶體管

       01、金剛石-氧化鎵截面熱傳導的分子動力學研究

       氧化鎵帶隙為 4.8 eV，對應于 8 MV/cm 的擊穿電場，可用于制作高壓垂直功率器件。氧化鎵的熱導率較低（[010] 方向為 27 W·m-1·K-1），將氧化鎵與高熱導率材料結合后可以提高熱學性能。例如，將氧化鎵與金剛石進行范德瓦爾斯鍵合后，可應用于 pn 結光探測器中。然而，目前對氧化鎵與金剛石界面熱傳導問題的研究仍不夠深入。通過過渡層（如 SiO2、Al2O3）在氧化鎵上生長金剛石后，其界面熱傳導問題更加復雜。近期，英國布里斯托大學 Alexander Petkov 研究團隊通過分子動力學模擬的方法研究了氧化鎵沿三個結晶軸方向的導熱性能，評估了范德瓦爾斯鍵合、Al2O3 離子鍵結合時界面熱阻值隨晶體方向的變化，為后續優化氧化鎵器件研究方向提供了理論指導。相關研究成果以“Molecular dynamics study of thermal transport across Ga2O3-diamond interfaces”為題發表在 Applied Physics Letters 上。

       摘要：

       β-Ga2O3 的熱導率較低（僅為 27 W·m-1·K-1）且具有各向異性，可以通過將 Ga2O3 與高導熱材料（如金剛石）復合來解決此問題。然而，晶體取向對界面熱阻的影響尚未被廣泛研究，這不利于未來 Ga2O3 基電子器件的發展。在本文中，研究人員使用分子動力學模擬的方法研究了范德瓦爾斯鍵合金剛石/Ga2O3 以及離子鍵結合的非晶 Al2O3/Ga2O3 的界面熱阻（TBR）值隨晶體方向的變化。在 Ga2O3 上生長金剛石時，通常以 Al2O3 作為過渡層。研究人員發現，隨不同晶向變化時，范德瓦爾斯鍵合金剛石/Ga2O3 的 TBR 值變化可高達 70%，而具有離子鍵結合的非晶 Al2O3/Ga2O3 的 TBR 值始終保持在 0.96±0.3 m2·K·GW-1。這一研究結果可以指導優化 Ga2O3 晶向來獲得最低的界面熱阻。

       文章信息：

       A. Petkov, A. Mishra, J. W. Pomeroy, et al. Molecular dynamics study of thermal transport across Ga2O3-diamond interfaces. Appl. Phys. Lett., 2023, 122, 031602.

DOI: 10.1063/5.0132859

       02、絕緣層/金剛石界面原子級成像

       金剛石是一種性能優異的寬禁帶半導體。近年來，采用金剛石的二維空穴氣制作場效應晶體管器件的研究越來越多。在采用氫終端的金剛石表面沉積絕緣層后，即可獲得此類器件。但是，如果絕緣層與金剛石表面以共價鍵結合，那么將對電學性能產生不利影響。金剛石電子器件的性能受絕緣層/金剛石界面原子排列缺陷的影響，然而檢測這些處于界面區域的原子級尺寸缺陷卻十分困難。近期，日本近畿大學 Mami N. Fujii 研究團隊發展了一種光電子能譜全息成像檢測技術，可觀察界面區域的原子排列及結構。相關研究成果以“Atomic imaging of interface defects in an insulating film on diamond”為題發表在 Nano Letters 上。

       摘要：

       絕緣體/半導體界面結構是影響電子器件性能的關鍵因素，因此研究界面缺陷起源具有重要的意義。然而，使用傳統技術手段很難分析位于絕緣層下部的界面原子排列結構。在本文中，研究人員使用光電子能譜全息成像檢測技術分析并揭示了非晶氧化鋁和金剛石之間的界面原子及排列結構，發現界面區域內的氫終端金剛石表面主要是由連接兩個二聚體的三維 C?O?Al?O?C 橋結構組成。結果表明，光電子能譜全息成像檢測技術可以用來揭示晶態和非晶態材料中間界面的三維原子結構。研究人員還發現源于 C?O 鍵的光電子強度與界面缺陷密度密切相關。本文中關于三維原子結構的分析技術將有助于進一步推進非晶態/晶態界面的研究。

       文章信息：

       M. N. Fujii, M. Tanaka, T. Tsuno, et al. Atomic imaging of interface defects in an insulating film on diamond. Nano Lett., 2023, 23, 1189-1194.

       DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04176

       03、CVD金剛石中硅空位中心的室溫光致變色

       寬禁帶半導體中的色心缺陷有望應用于量子通信、量子計算和量子傳感。近年來，金剛石中的硅空位色心缺陷 SiV0 因具有更長的相干時間而逐漸成為研究熱點。然而，將硅空位色心缺陷穩定在 SiV0 仍具有挑戰性。第一性原理計算表明，硅空位色心缺陷更傾向于形成 SiV- 和SiV2-，且金剛石中其他雜質離子（如硼和氫）對缺陷的形成和穩定也有影響。近期，日本近畿大學 Mami N. Fujii 研究團隊研究了 SiV0、SiV? 和 SiV2? 三種色心缺陷的轉換過程，揭示了金剛石中硅空位缺陷動力學行為。相關研究成果以“Room-temperature photochromism of silicon vacancy centers in CVD diamond”為題發表在 Nano Letters 上。

       摘要：

       金剛石中的硅空位（SiV）中心通常有三種穩定的電荷狀態，即 SiV0、SiV? 和 SiV2?，但對于其形成機理的研究卻十分困難，尤其是在室溫下的形成過程，這是因為它們的光致發光速率有很大差別。在本文中，研究人員使用共聚焦熒光顯微鏡來激活和探測常規環境條件下三種空位色心缺陷之間的電荷轉換。通過擴散-光生空穴兩步捕獲技術觀測到了 SiV0 缺陷，這一過程是通過在低溫條件下直接測量 SiV0 熒光以及在外部施加電場條件下通過觀察共聚焦熒光顯微鏡發現的。此外，研究表明，連續的紅光激發會誘導轉換過程：首先將 SiV0 轉化為 SiV?，再轉化為 SiV2?。該研究揭示了 SiV 的電荷動力學行為，并將為納米傳感和量子信息處理應用研究提供參考。

       文章信息：

       M. N. Fujii, M. Tanaka, T. Tsuno, et al. Room-temperature photochromism of silicon vacancy centers in CVD diamond. Nano Lett., 2023, 23, 1017-1022.

       DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04514

       04、用于光子應用的飛秒激光輻照應變弛豫硅空位中心納米金剛石薄膜

       納米級多晶金剛石薄膜有望被應用于金剛石基光電子器件中。與單晶金剛石相比，納米級多晶金剛石薄膜具有如下優點：成本低廉且容易量產，可生長在低折射率基底上進而形成波導，可以在 CVD 生長過程中形成硅空位（SiV）色心缺陷。然而，由于多晶金剛石薄膜中存在大量的輻射和非輻射缺陷，導致背景光較強，且 SiV 發光也受到抑制。近期，捷克科學院 Lukás? Ondic 研究團隊研究了納米級金剛石薄膜在飛秒激光作用下的性能，發現飛秒激光有助于消除其 sp2 石墨相，提升 SiV 發光性能。相關研究成果以“Strain-relaxed nanocrystalline diamond thin films with silicon vacancy centers using femtosecond laser irradiation for photonic applications”為題發表在 ACS Applied Nano Materials 上。

       摘要：

       與單晶金剛石相比，由于制備工藝簡單、可量產和價格低廉，具有帶負電硅空位（SiV）發光中心的納米晶金剛石薄膜（厚度為100~500 nm）有望被應用于光子學或生物傳感領域。然而，由于輻射與非輻射缺陷的存在，金剛石薄膜的應用受到嚴重影響。輻射缺陷會使光致發光光譜中產生有害背景光，而非輻射缺陷則會降低光發射的量子效率，并且這兩種類型缺陷都會使發射在薄膜層內并傳播的 SiV 光被重吸收。研究人員發現，在納米晶金剛石薄膜上的飛秒（fs）激光脈沖作用下，與 SiV 缺陷發光相比，背景光的光致發光強度降低 5 倍。拉曼光譜表明，強度降低的主要原因是晶粒之間的 sp2 石墨相被激光燒蝕。sp2 石墨相的減少導致光吸收的局域降低，且 SiV 發射峰值強度提高了約 2 倍。此外，飛秒激光的照射還導致了納米薄膜內應力的釋放，使拉曼峰向單晶金剛石峰方向移動，SiV 中心的零聲子線峰位藍移。此發現可能應用于提高納米晶金剛石基光子器件中材料的光學質量，并且還可以通過擴大激光光束來進行大面積金剛石薄膜應力釋放。

       文章信息：

       L. Ondic?, F. Troja?nek, M. Varga, et al. Strain-relaxed nanocrystalline diamond thin films with silicon vacancy centers using femtosecond laser irradiation for photonic applications. ACS Appl. Nano Mater., 2023.

       DOI: 10.1021/acsanm.2c04976

       05、門電壓調控靈敏度和響應速度的高性能金剛石基光敏晶體管

       響應波長短于 280 nm 的光探測器稱為日盲探測器。AlGaN、MgZnO、Ga2O3、SiC 和金剛石等寬禁帶半導體均可被用于制作日盲探測器。其中，金剛石由于具有超寬帶隙（5.5 eV）、抗輻照、高載流子遷移率、高熱導等特點而被廣泛研究。在多種不同結構的光探測器中，三極場效應晶體管因引入了門電壓調控而具有較高的光電響應性能。近期，山東大學彭燕教授、徐明升副研究員研究團隊報道了一種門電壓調控靈敏度和響應速度的高性能金剛石基光敏晶體管，并通過能帶分析研究了其高性能的產生機理。相關研究成果以“High-performance diamond phototransistor with gate controllable gain and speed”為題發表在 The Journal of Physical Chemistry Letters 上。

       摘要：

       本文介紹了一種基于氫終端金剛石的日盲光電晶體管。與傳統的金剛石基光電探測器相比，本文中報道的光電晶體管擁有更大的光電流和響應靈敏度。這些增強效應源自于光電晶體管內部的增益。在 213 nm 光照下，柵極電壓（VG）和漏極電壓分別約為 ?1.5 V和 ?5 V 時，所制備的光電晶體管具有 2.16×104 A/W 的高光響應性（R）和 9.63×1011 Jones 的探測率（D*）。即使在 ?0.01 V 的超低工作電壓下，該器件也能表現出良好的性能，R 和 D* 分別為 146.7 A/W 和 6.19×1010 Jones。通過調節 VG，可以將器件中產生的光電流從快速光電導效應連續調諧到具有高光學增益的光學門控效應。當 VG 從 1.4 V 增加到 2.4 V 時，衰減時間從 1512.0 ms 降低至 25.5 ms。因此，VG可以很好地調節器件的響應度、暗電流、Iphoto/Idark（I 表電流）和衰減時間。

       文章信息：

       L. Ge, B. Li, G. Li, et al. High-performance diamond phototransistor with gate controllable gain and speed. J. Phys. Chem. Lett., 2023, 14, 592-597.

       DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c03637