激子的概念在100多年前被提出，指的是半導體中電子和空穴形成的復(fù)合體。超導也是100年前被發(fā)現(xiàn)，表明材料在某個溫度下實現(xiàn)零電阻狀態(tài)。傳統(tǒng)的超導機制一般是BCS理論，認為聲子耦合電子庫伯對來形成超導。但BCS理論指出超導轉(zhuǎn)變溫度一般低于40K，稱為麥克米蘭極限。最近有理論物理學家指出，利用激子來實現(xiàn)石墨烯等碳基材料中的耦合電子庫珀對，從而可能獲得非常規(guī)超導。金剛石，由于其具有超寬禁帶、超高擊穿場強、熔點以及熱導率等優(yōu)良物理性質(zhì)，也被譽為“終極半導體材料”。作為碳基半導體材料，在金剛石中引入激子來實現(xiàn)非常規(guī)超導很值得期待。

       為有效填補單晶金剛石激子超導研究領(lǐng)域的空缺，浙江大學林時勝教授利用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）的方法成功制備出了硼氮共摻雜的塊體單晶金剛石，并成功實現(xiàn)了超導態(tài)和金屬態(tài)。并利用包括拉曼光譜、XRD、XPS、TEM、SIMS以及ODMR等材料測試表征手段，有效證明硼氮共摻雜金剛石的單晶特性以及體摻雜的均勻性。通過有效調(diào)節(jié)金剛石生長過程中的壓強、溫度以及氣體摻雜比例等，制備得到的重摻雜金剛石表現(xiàn)出超強導電性，其電阻率最低可達2.07×10-3 Ω·cm，超導轉(zhuǎn)變溫度為3 K。同時，通過調(diào)節(jié)金剛石半導體的空穴遷移率，將單晶金剛石超導態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)。

       通過對超導態(tài)以及金屬態(tài)金剛石樣品進行霍爾測試，初步發(fā)現(xiàn)：低溫狀態(tài)下表現(xiàn)為金屬態(tài)的金剛石樣品其載流子遷移率都明顯低于超導態(tài)金剛石樣品。在P型重摻雜單晶金剛石中，樣品具有較高遷移率其體內(nèi)可以通過激子或聲子形成配對，基于激子介導超導，從而實現(xiàn)向超導態(tài)的轉(zhuǎn)變；如果金剛石遷移率不夠高，空穴無法完全配對，導致向金屬態(tài)轉(zhuǎn)變。

圖1. 重摻雜金剛石的物理特性測量與表征

       此外，將石墨烯轉(zhuǎn)移至硼氮共摻雜金剛石表面，制備石墨烯/金剛石異質(zhì)結(jié)，將Andreev反射和激子介導的超導相耦合，實現(xiàn)了石墨烯中類似于超導特性的新型電學傳輸行為，這可能揭示金剛石乃至碳基材料更有趣的超導現(xiàn)象。相關(guān)工作以“Superconductivity and metallic behavior in heavily doped bulk single crystal diamond and novel transportation behavior at graphene/diamond heterostructure”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。

圖2. 石墨烯/金剛石異質(zhì)結(jié)低溫電學特性測試

       總之，研究人員通過調(diào)整金剛石半導體的遷移率，實現(xiàn)了超導態(tài)和金屬態(tài)的塊體單晶金剛石。利用石墨烯/金剛石異質(zhì)結(jié)的低溫電學測試，進一步發(fā)現(xiàn)了其反常的電學傳輸行為，證實了石墨烯/超導體結(jié)中的Andreev反射和激子介導的超導性的共同作用的可能，為實現(xiàn)碳基材料的高溫超導提供新的思路。
       原文：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410876

       第八屆國際碳材料大會暨產(chǎn)業(yè)展覽會（Carbontech 2024）將于12月5-7日在上海新國際博覽中心W1、W2館盛大舉行，本屆展會預(yù)計展出面積40,000m2，匯集超800家全球碳材料產(chǎn)業(yè)鏈上下游廠家。同期舉辦主題論壇9場，閉門研討會1場，吸引來自金剛石、超精密加工、石墨烯、碳納米材料、碳纖維及其復(fù)合材料、碳碳復(fù)合材料、新能源碳材料等領(lǐng)域超50,000國內(nèi)外采購商蒞臨現(xiàn)場，為全球買家打造一個專業(yè)、創(chuàng)新、交流的全產(chǎn)業(yè)鏈合作盛宴。

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