2023年，金剛石相關(guān)研究取得了不少令人欣喜的進(jìn)展，這些成果不僅加深了我們對金剛石特性的理解，也為金剛石的技術(shù)應(yīng)用提供了更多可能性。Functional Diamond編輯團(tuán)隊(duì)特此精選了金剛石在電子、量子、MEMS技術(shù)、散熱、電化學(xué)、金剛石生長以及光學(xué)等領(lǐng)域的重要研究進(jìn)展，讓我們一起回顧相關(guān)的學(xué)術(shù)成果。

       Diamond research: highlights from 2023. Functional Diamond, 4(1).        https://doi.org/10.1080/26941112.2024.2374566.

掃碼閱讀原文

       01金剛石MOSFET
       早稻田大學(xué)Kawarada教授研究小組和Power Diamonds Systems (PDS)宣布開發(fā)出一種常關(guān)金剛石MOSFET。他們采用的器件結(jié)構(gòu)中，金剛石表面具有氧化硅終端（C-Si-O 終端），當(dāng)柵極電壓為0 V時(shí)，該結(jié)構(gòu)會關(guān)閉晶體管。該研究解決了氫終端（C–H）金剛石表面在耐久性、穩(wěn)定性和制造工藝兼容性方面的不足。

       02金剛石量子傳感
       中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士團(tuán)隊(duì)在量子精密測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，利用單個(gè)納米金剛石內(nèi)部的氮-空位色心（NV center）進(jìn)行量子傳感。他們通過旋涂技術(shù)將納米金剛石固定在蓋玻片上，克服了納米金剛石顆粒隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，在原位條件下實(shí)現(xiàn)了對溶液中順磁離子磁共振光譜的精確原位檢測。

       該團(tuán)隊(duì)還成功設(shè)計(jì)并制造了一種自旋-力學(xué)量子芯片，利用單金剛石氮-空位色心作為原子尺度傳感器，并結(jié)合微機(jī)電技術(shù)和硅基納米工藝，實(shí)現(xiàn)了這種可擴(kuò)展的量子芯片。該成果展示了利用金剛石氮-空位色心自旋量子傳感器來研究各種超標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的獨(dú)特優(yōu)勢。

       劍橋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用金剛石量子磁力計(jì)技術(shù)探測了反鐵磁體赤鐵礦中的復(fù)雜磁荷分布。該研究首次直接讀出了反鐵磁自旋織構(gòu)的渦旋度，揭示了單極、偶極和四極磁荷的分布，并建立了與磁荷的關(guān)鍵聯(lián)系。這一突破性技術(shù)為探索二維單極物理和量子材料中的新現(xiàn)象提供了重要工具。

       03金剛石MEMS磁傳感器
       NIMS廖梅勇等開發(fā)了一種集成了單晶金剛石（SCD）和巨磁致伸縮FeGa薄膜的芯片式SCD MEMS磁傳感器。該傳感器利用FeGa薄膜驅(qū)動(dòng)金剛石諧振器，能夠感應(yīng)外部磁場并通過電信號讀取諧振信號。該研究顯示，這種傳感器在室溫至500℃范圍內(nèi)，靈敏度可達(dá)到3.2 Hz/mT，300℃下噪聲水平為9.45 nT/Hz1/2，諧振頻率波動(dòng)最小值為1.9 × 10-6（室溫）和2.3 × 10-6（300℃）。該研究還實(shí)現(xiàn)了帶有并行電讀出的SCD MEMS諧振器陣列，為開發(fā)高靈敏度和高空間分辨率的磁成像傳感器奠定了基礎(chǔ)。

       04金剛石熱管理應(yīng)用
       大阪公立大學(xué)梁劍波等利用金剛石作為襯底，成功制造了GaN高電子遷移率晶體管（HEMTs）。該技術(shù)將生長在硅上的AlGaN/GaN/3C-SiC層轉(zhuǎn)移到金剛石襯底上，然后直接在金剛石上鍵合GaN HEMTs，大幅降低了界面的熱阻，增強(qiáng)了散熱性能。這項(xiàng)新技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)GaN-on-diamond器件的大規(guī)模生產(chǎn)，從而使其實(shí)際應(yīng)用成為可能。

       05金剛石電化學(xué)應(yīng)用
       慶應(yīng)大學(xué)Einaga等合成了多種摻硼氮金剛石（BNDD）薄膜，并研究了硼和氮濃度對電化學(xué)CO2還原的影響。BNDD在甲酸生成的法拉第效率上優(yōu)于BDD，達(dá)到了94.9%。研究表明，BNDD中的氮位點(diǎn)有助于氫的加成反應(yīng)，與CO2反應(yīng)生成中間體[*COOH]或[*OCHO]，顯著加速了甲酸的生成。該研究為構(gòu)建高效電化學(xué)CO2還原金剛石電極提供了新的方法。

       06金剛石襯底生長
       西安交通大學(xué)王宏興團(tuán)隊(duì)采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)2英寸（約5 cm）異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底的批量化生產(chǎn)。他們通過對成膜均勻性、溫場及流場的有效調(diào)控，提高了異質(zhì)外延單晶金剛石成品率。襯底表面具有臺階流生長模式，可降低襯底的缺陷密度，提高晶體質(zhì)量。XRD（004）、（311）搖擺曲線半峰寬分別小于91 arcsec和111 arcsec，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

       07金剛石激光技術(shù)
       河北工業(yè)大學(xué)呂志偉團(tuán)隊(duì)首次從理論和實(shí)驗(yàn)上揭示了金剛石布里淵激光器在光譜壓縮、單頻運(yùn)轉(zhuǎn)和功率拓展方面的可行性。該團(tuán)隊(duì)利用金剛石晶體作為增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了平均功率高達(dá)20.3 W的布里淵激光輸出，創(chuàng)造了國際上的最高功率指標(biāo)。激光線寬壓縮率最高達(dá)到4倍，線寬縮小至1.77 kHz。這一成果標(biāo)志著自由空間布里淵激光器首次成功實(shí)現(xiàn)了激光線寬的顯著縮小，并為獲得超窄線寬高功率激光輻射提供了全新的技術(shù)路徑。

       08金剛石自愈合能力
       北京航空航天大學(xué)聯(lián)合燕山大學(xué)田永君院士團(tuán)隊(duì)，深入研究了納米孿晶金剛石復(fù)合材料（ntDC）的自愈合能力。他們發(fā)現(xiàn)ntDC通過形成強(qiáng)共價(jià)鍵獲得顯著的自愈合能力。在室溫下，ntDC斷裂面的自愈合效率達(dá)到約34%。該成果為提高金剛石基材料的耐用性和可靠性開辟了新途徑，并為強(qiáng)共價(jià)鍵自愈合材料的設(shè)計(jì)提供了寶貴指導(dǎo)。

       期刊官網(wǎng)：www.functionaldiamond.com

       (2021—2025年期間，不收取版面費(fèi)用）