索引

       1、金剛石-氧化鎵截面熱傳導(dǎo)的分子動力學(xué)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(yīng)用的飛秒激光輻照應(yīng)變弛豫硅空位中心納米金剛石薄膜

       5、門電壓調(diào)控靈敏度和響應(yīng)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(dǎo)的分子動力學(xué)研究

       氧化鎵帶隙為 4.8 eV，對應(yīng)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(dǎo)率較低（[010] 方向?yàn)?27 W·m-1·K-1），將氧化鎵與高熱導(dǎo)率材料結(jié)合后可以提高熱學(xué)性能。例如，將氧化鎵與金剛石進(jìn)行范德瓦爾斯鍵合后，可應(yīng)用于 pn 結(jié)光探測器中。然而，目前對氧化鎵與金剛石界面熱傳導(dǎo)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(dǎo)問題更加復(fù)雜。近期，英國布里斯托大學(xué) Alexander Petkov 研究團(tuán)隊(duì)通過分子動力學(xué)模擬的方法研究了氧化鎵沿三個(gè)結(jié)晶軸方向的導(dǎo)熱性能，評估了范德瓦爾斯鍵合、Al2O3 離子鍵結(jié)合時(shí)界面熱阻值隨晶體方向的變化，為后續(xù)優(yōu)化氧化鎵器件研究方向提供了理論指導(dǎo)。相關(guān)研究成果以“Molecular dynamics study of thermal transport across Ga2O3-diamond interfaces”為題發(fā)表在 Applied Physics Letters 上。

       摘要：

       β-Ga2O3 的熱導(dǎo)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(dǎo)熱材料（如金剛石）復(fù)合來解決此問題。然而，晶體取向?qū)缑鏌嶙璧挠绊懮形幢粡V泛研究，這不利于未來 Ga2O3 基電子器件的發(fā)展。在本文中，研究人員使用分子動力學(xué)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(jié)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(shí)，通常以 Al2O3 作為過渡層。研究人員發(fā)現(xiàn)，隨不同晶向變化時(shí)，范德瓦爾斯鍵合金剛石/Ga2O3 的 TBR 值變化可高達(dá) 70%，而具有離子鍵結(jié)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(jié)果可以指導(dǎo)優(yōu)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(yōu)異的寬禁帶半導(dǎo)體。近年來，采用金剛石的二維空穴氣制作場效應(yīng)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(jià)鍵結(jié)合，那么將對電學(xué)性能產(chǎn)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(qū)域的原子級尺寸缺陷卻十分困難。近期，日本近畿大學(xué) Mami N. Fujii 研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種光電子能譜全息成像檢測技術(shù)，可觀察界面區(qū)域的原子排列及結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果以“Atomic imaging of interface defects in an insulating film on diamond”為題發(fā)表在 Nano Letters 上。

       摘要：

       絕緣體/半導(dǎo)體界面結(jié)構(gòu)是影響電子器件性能的關(guān)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(tǒng)技術(shù)手段很難分析位于絕緣層下部的界面原子排列結(jié)構(gòu)。在本文中，研究人員使用光電子能譜全息成像檢測技術(shù)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(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)界面區(qū)域內(nèi)的氫終端金剛石表面主要是由連接兩個(gè)二聚體的三維 C?O?Al?O?C 橋結(jié)構(gòu)組成。結(jié)果表明，光電子能譜全息成像檢測技術(shù)可以用來揭示晶態(tài)和非晶態(tài)材料中間界面的三維原子結(jié)構(gòu)。研究人員還發(fā)現(xiàn)源于 C?O 鍵的光電子強(qiáng)度與界面缺陷密度密切相關(guān)。本文中關(guān)于三維原子結(jié)構(gòu)的分析技術(shù)將有助于進(jìn)一步推進(jìn)非晶態(tài)/晶態(tài)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(dǎo)體中的色心缺陷有望應(yīng)用于量子通信、量子計(jì)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(shí)間而逐漸成為研究熱點(diǎn)。然而，將硅空位色心缺陷穩(wěn)定在 SiV0 仍具有挑戰(zhàn)性。第一性原理計(jì)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(zhì)離子（如硼和氫）對缺陷的形成和穩(wěn)定也有影響。近期，日本近畿大學(xué) Mami N. Fujii 研究團(tuán)隊(duì)研究了 SiV0、SiV? 和 SiV2? 三種色心缺陷的轉(zhuǎn)換過程，揭示了金剛石中硅空位缺陷動力學(xué)行為。相關(guān)研究成果以“Room-temperature photochromism of silicon vacancy centers in CVD diamond”為題發(fā)表在 Nano Letters 上。

       摘要：

       金剛石中的硅空位（SiV）中心通常有三種穩(wěn)定的電荷狀態(tài)，即 SiV0、SiV? 和 SiV2?，但對于其形成機(jī)理的研究卻十分困難，尤其是在室溫下的形成過程，這是因?yàn)樗鼈兊墓庵掳l(fā)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(guī)環(huán)境條件下三種空位色心缺陷之間的電荷轉(zhuǎn)換。通過擴(kuò)散-光生空穴兩步捕獲技術(shù)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(fā)現(xiàn)的。此外，研究表明，連續(xù)的紅光激發(fā)會誘導(dǎo)轉(zhuǎn)換過程：首先將 SiV0 轉(zhuǎn)化為 SiV?，再轉(zhuǎn)化為 SiV2?。該研究揭示了 SiV 的電荷動力學(xué)行為，并將為納米傳感和量子信息處理應(yīng)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(yīng)用的飛秒激光輻照應(yīng)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(yīng)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(yōu)點(diǎn)：成本低廉且容易量產(chǎn)，可生長在低折射率基底上進(jìn)而形成波導(dǎo)，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(dǎo)致背景光較強(qiáng)，且 SiV 發(fā)光也受到抑制。近期，捷克科學(xué)院 Lukás? Ondic 研究團(tuán)隊(duì)研究了納米級金剛石薄膜在飛秒激光作用下的性能，發(fā)現(xiàn)飛秒激光有助于消除其 sp2 石墨相，提升 SiV 發(fā)光性能。相關(guān)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(fā)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(chǎn)和價(jià)格低廉，具有帶負(fù)電硅空位（SiV）發(fā)光中心的納米晶金剛石薄膜（厚度為100~500 nm）有望被應(yīng)用于光子學(xué)或生物傳感領(lǐng)域。然而，由于輻射與非輻射缺陷的存在，金剛石薄膜的應(yīng)用受到嚴(yán)重影響。輻射缺陷會使光致發(fā)光光譜中產(chǎn)生有害背景光，而非輻射缺陷則會降低光發(fā)射的量子效率，并且這兩種類型缺陷都會使發(fā)射在薄膜層內(nèi)并傳播的 SiV 光被重吸收。研究人員發(fā)現(xiàn)，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(fā)光相比，背景光的光致發(fā)光強(qiáng)度降低 5 倍。拉曼光譜表明，強(qiáng)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(dǎo)致光吸收的局域降低，且 SiV 發(fā)射峰值強(qiáng)度提高了約 2 倍。此外，飛秒激光的照射還導(dǎo)致了納米薄膜內(nèi)應(yīng)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(lán)移。此發(fā)現(xiàn)可能應(yīng)用于提高納米晶金剛石基光子器件中材料的光學(xué)質(zhì)量，并且還可以通過擴(kuò)大激光光束來進(jìn)行大面積金剛石薄膜應(yīng)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(diào)控靈敏度和響應(yīng)速度的高性能金剛石基光敏晶體管

       響應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)等特點(diǎn)而被廣泛研究。在多種不同結(jié)構(gòu)的光探測器中，三極場效應(yīng)晶體管因引入了門電壓調(diào)控而具有較高的光電響應(yīng)性能。近期，山東大學(xué)彭燕教授、徐明升副研究員研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種門電壓調(diào)控靈敏度和響應(yīng)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(chǎn)生機(jī)理。相關(guān)研究成果以“High-performance diamond phototransistor with gate controllable gain and speed”為題發(fā)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(tǒng)的金剛石基光電探測器相比，本文中報(bào)道的光電晶體管擁有更大的光電流和響應(yīng)靈敏度。這些增強(qiáng)效應(yīng)源自于光電晶體管內(nèi)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(shí)，所制備的光電晶體管具有 2.16×104 A/W 的高光響應(yīng)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(xiàn)出良好的性能，R 和 D* 分別為 146.7 A/W 和 6.19×1010 Jones。通過調(diào)節(jié) VG，可以將器件中產(chǎn)生的光電流從快速光電導(dǎo)效應(yīng)連續(xù)調(diào)諧到具有高光學(xué)增益的光學(xué)門控效應(yīng)。當(dāng) VG 從 1.4 V 增加到 2.4 V 時(shí)，衰減時(shí)間從 1512.0 ms 降低至 25.5 ms。因此，VG可以很好地調(diào)節(jié)器件的響應(yīng)度、暗電流、Iphoto/Idark（I 表電流）和衰減時(shí)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