近日，曲阜師范大學物理工程學院劉曉兵教授（實驗）和陳欣教授（理論）研究團隊在高壓制備n型導電金剛石領域取得重要進展，部分相關成果發(fā)表在國際頂尖期刊《美國國家科學院院刊》（PNAS，Boron-oxygen complex yields n-type surface layer in semiconducting diamond，DOI：10.1073/pnas.1821612116）。劉曉兵教授為論文第一作者與通訊作者，陳欣教授為論文第二作者與合作通訊作者，曲阜師范大學為論文第一作者與通訊作者單位。

       眾所周知，金剛石作為自然界中最堅硬的物質(zhì)，還具有最大熱導率（20 Wcm-1K-1）、最寬透光波段、最快聲速、高德拜溫度（1800 K）、耐腐蝕、抗輻射、超寬帶隙（5.47 eV）、高擊穿電壓、高載流子遷移率（3800–4000 cm2V-1s-1）等多種優(yōu)異的物理性能，被認為是最有潛力的寬帶隙半導體材料之一。純凈金剛石是良好的絕緣體，容易通過摻雜少量硼元素形成p型半導體。然而，迄今為止，n型金剛石半導體的制備仍是材料物理界最富有挑戰(zhàn)性的課題之一。為了解決寬帶隙金剛石半導體的單極性、施主雜質(zhì)能級深、電阻率高等科學難題，劉曉兵教授課團隊利用高溫高壓合成技術實現(xiàn)了n型多元共摻雜金剛石單晶的制備。

       該團隊研究發(fā)現(xiàn)，在重摻硼金剛石單晶生長過程中，硼原子主要富集于{111}生長晶面，并傾向于與氧原子結合形成B-O復合缺陷，可以在1000 K以上保持穩(wěn)定。在高溫高壓條件下，通過調(diào)節(jié)金剛石晶體中B-O元素的比例，可以實現(xiàn)p型向n型電導轉變，且具有極高的載流子濃度（~1021 cm-3），大幅提升了傳統(tǒng)硫、磷摻雜n型金剛石半導體的載流子濃度（1017–1019 cm-3）。通過在金剛石結構中構建B-O復合缺陷模型，利用第一性原理模擬發(fā)現(xiàn)，B3O與B4O是兩種具有淺能級結構的潛在施主雜質(zhì)，且B-O復合缺陷的形成能較低，因而在高溫高壓實驗條件下最容易形成。該項研究成果為在金剛石結構中尋找新的淺能級施主提供了新思路，是利用極端條件科學裝置開展新材料物理研究的典型案例。

       該成果實驗工作主要依托我校物理學科的高壓實驗室完成，是山東省內(nèi)首個可以同時滿足利用六面頂大腔體液壓設備在7.0 GPa高壓、2700 K高溫條件下開展材料合成實驗，并可利用金剛石對頂砧與激光加熱技術在100 GPa及1.8–4000 K范圍內(nèi)開展材料物性原位測試的實驗平臺。理論模擬工作在我校高性能計算科學中心服務器上完成。該項研究得到了國家自然科學基金委、山東省一流學科建設項目、曲阜師范大學人才引進專項等資金資助。

       據(jù)悉，創(chuàng)刊于1914年的《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，縮寫PNAS）是世界公認的四大期刊（《Nature》《Science》《Cell》《PNAS》）之一，主要由美國科學院院士撰稿審稿，國際學術聲譽高，也是被引用次數(shù)最多的綜合學科期刊之一。