2024年3月，俄羅斯科學(xué)院列別捷夫物理研究所（Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences）、斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究院（Skoltech）等聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表一項(xiàng)研究，通過金屬鈮使金剛石金屬化，來提高金剛石和過渡金屬之間的附著力。當(dāng)鈮在金剛石表面形成碳化鈮膜后，具有超導(dǎo)特性。這種金剛石膜在未來科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是單光子探測器方面很有前景，將可能制備出高熱導(dǎo)率的超靈敏量子檢測設(shè)備。

       相關(guān)研究成果以“Synthesis and characterization of niobium carbide thin films on diamond surface for superconductive application”為題發(fā)表于Journal of Alloys and Compounds期刊上。   

       金剛石，兩個(gè)局限性

       金剛石不僅可以閃耀的珠寶，在工業(yè)領(lǐng)域也大有可為。

       金剛石由于具有極高的硬度、良好的耐磨性和光電熱等特性，廣泛應(yīng)用于磨料磨具、光學(xué)器件、新能源汽車和電子封裝等領(lǐng)域。

       “不過，金剛石有兩個(gè)局限性，一是大尺寸金剛石襯底的合成，二是金屬觸點(diǎn)與金剛石表面的附著力差”，研究人員Stanislav Evlashin在媒體聲明中說到，“當(dāng)我們研究電離輻射探測器，用金或者其他材料制成觸點(diǎn)時(shí)，這種觸點(diǎn)與金剛石的附著力非常差。當(dāng)時(shí)，我們就想知道如何克服這種附著力差的問題”。

       在實(shí)際應(yīng)用中，由于金剛石表面惰性強(qiáng)，與很多物質(zhì)結(jié)合困難，制約了其應(yīng)用與推廣。金剛石表面金屬化則是最有效方法之一，它可以賦予金剛石表面新的特性，例如優(yōu)異的導(dǎo)熱性、良好的熱穩(wěn)定性、改善的潤濕性以及其原有的物理和化學(xué)性能。

       目前，金剛石表面鍍層使用的金屬材料是鈦、鉻、鉭、鋯等金屬。當(dāng)它們與碳原子相互作用時(shí)，會(huì)形成一層金屬碳化物。而該研究的作者們選擇金屬鈮。

       鈮作為過渡金屬，常溫下，不與空氣發(fā)生反應(yīng)，在氧氣中紅熱時(shí)也不會(huì)被完全氧化，在高溫下能與硫、氮、碳直接化合。它也能夠在金剛石表面形成化學(xué)穩(wěn)定的碳化鈮膜 (NbxCy)。這也是該研究團(tuán)隊(duì)選擇的原因之一。

       通常，碳化鈮薄膜可以通過反應(yīng)磁控濺射、熱反應(yīng)擴(kuò)散、化學(xué)溶液和聚合物沉積等方法獲得。但由于 Nb 的熔點(diǎn)極高（2751 K）且與化學(xué)計(jì)量組成存在顯著偏差，合成碳化鈮薄膜仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。合成混合物中碳的缺乏或過量會(huì)導(dǎo)致碳空位或無定形碳過量，從而相應(yīng)地降低此類碳化物的各種性能。因此，達(dá)到 NbC 的化學(xué)計(jì)量完美性是改善所得薄膜導(dǎo)電性能的重要任務(wù)。   

       在金剛石表面制造超導(dǎo)體

       研究人員通過磁控濺射將鈮沉積在金剛石表面，并在真空中退火以形成 NbC。并嘗試在金剛石表面制造超導(dǎo)體。通過對碳化鈮的晶格常數(shù)隨碳缺陷濃度變化的理論計(jì)算表明，所獲得的碳化鈮層具有超導(dǎo)特性。
       “我們嘗試在金剛石表面制造超導(dǎo)體，并意識到如果我們在金剛石表面沉積鈮，然后對其進(jìn)行退火，退火過程中會(huì)發(fā)生以下相變：鈮膜在加熱后會(huì)變成Nb?C化合物，在進(jìn)一步加熱到1200℃以上會(huì)變成NbC?！盓vlashin說道。

       該研究的共同作者，能源轉(zhuǎn)型中心教授Alexander Kvashnin補(bǔ)充說到，“對碳化鈮超導(dǎo)特性的計(jì)算表明，在19.4 K的溫度下發(fā)生了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，這與實(shí)驗(yàn)測量值非常接近，”Kvashnin 說道。

       值得注意的是，與其他鈮基合金相比，該實(shí)驗(yàn)獲得的碳化鈮薄膜質(zhì)量很高。根據(jù)碳缺陷濃度，對碳化鈮晶格常數(shù)的理論計(jì)算表明，在金剛石上合成碳化鈮的方法可以獲得高質(zhì)量的碳化鈮，其晶格參數(shù)接近無缺陷材料。

       “碳化鈮薄膜中缺陷濃度較低，從而使電子擴(kuò)散值足夠高，這一點(diǎn)，加上觀察到的超導(dǎo)特性，對于量子檢測設(shè)備具有實(shí)際意義?！蹦箍茋煼洞髮W(xué)的研究科學(xué)家Anna Kolbatova表示，“將具有超導(dǎo)特性的碳化鈮膜涂在金剛石表面，則有可能利用其高導(dǎo)熱性制造出超靈敏探測器。金剛石的高導(dǎo)熱性將有助于檢測信號——這比其他材料檢測速度快得多?！?/p>

       該研究為金剛石金屬化問題提供了解決方案，即在金剛石表面形成化學(xué)計(jì)量完美的 NbC 薄膜。通過磁控濺射將鈮沉積在金剛石表面，并在真空中退火以在不同溫度下形成 NbC。金剛石上的這種薄膜在各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是單光子探測器方面都有很大的應(yīng)用前景。

       這項(xiàng)研究涉及兩個(gè)項(xiàng)目。第一個(gè)項(xiàng)目是“研究合金元素對納米結(jié)構(gòu)碳材料電化學(xué)特性的影響，以創(chuàng)建有前途的電流源”，旨在獲得可用于創(chuàng)建新一代電化學(xué)源的結(jié)果。第二個(gè)項(xiàng)目是“基于二維范德華結(jié)構(gòu)的新一代量子探測器和單光子源”，旨在開發(fā)超越傳統(tǒng)量子探測設(shè)備的量子探測設(shè)備。

       DOI ：10.1016/j.jallcom.2023.173266