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       索引

       1、金刚石-氧化镓截面热传导的分子动力学研究

       2、绝缘层/金刚石界面原子级成像

       3、CVD金刚石中硅空位中心的室温光致变色

       4、用于光子应用的飞秒激光辐照应变弛豫硅空位中心纳米金刚石薄膜

       5、门电压调控灵敏度和响应速度的高性能金刚石基光敏晶体管

       01、金刚石-氧化镓截面热传导的分子动力学研究

       氧化镓带隙为 4.8 eV，对应于 8 MV/cm 的击穿电场，可用于制作高压垂直功率器件。氧化镓的热导率较低（[010] 方向为 27 W·m-1·K-1），将氧化镓与高热导率材料结合后可以提高热学性能。例如，将氧化镓与金刚石进行范德瓦尔斯键合后，可应用于 pn 结光探测器中。然而，目前对氧化镓与金刚石界面热传导问题的研究仍不够深入。通过过渡层（如 SiO2、Al2O3）在氧化镓上生长金刚石后，其界面热传导问题更加复杂。近期，英国布里斯托大学 Alexander Petkov 研究团队通过分子动力学模拟的方法研究了氧化镓沿三个结晶轴方向的导热性能，评估了范德瓦尔斯键合、Al2O3 离子键结合时界面热阻值随晶体方向的变化，为后续优化氧化镓器件研究方向提供了理论指导。相关研究成果以“Molecular dynamics study of thermal transport across Ga2O3-diamond interfaces”为题发表在 Applied Physics Letters 上。

       摘要：

       β-Ga2O3 的热导率较低（仅为 27 W·m-1·K-1）且具有各向异性，可以通过将 Ga2O3 与高导热材料（如金刚石）复合来解决此问题。然而，晶体取向对界面热阻的影响尚未被广泛研究，这不利于未来 Ga2O3 基电子器件的发展。在本文中，研究人员使用分子动力学模拟的方法研究了范德瓦尔斯键合金刚石/Ga2O3 以及离子键结合的非晶 Al2O3/Ga2O3 的界面热阻（TBR）值随晶体方向的变化。在 Ga2O3 上生长金刚石时，通常以 Al2O3 作为过渡层。研究人员发现，随不同晶向变化时，范德瓦尔斯键合金刚石/Ga2O3 的 TBR 值变化可高达 70%，而具有离子键结合的非晶 Al2O3/Ga2O3 的 TBR 值始终保持在 0.96±0.3 m2·K·GW-1。这一研究结果可以指导优化 Ga2O3 晶向来获得最低的界面热阻。

       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、绝缘层/金刚石界面原子级成像

       金刚石是一种性能优异的宽禁带半导体。近年来，采用金刚石的二维空穴气制作场效应晶体管器件的研究越来越多。在采用氢终端的金刚石表面沉积绝缘层后，即可获得此类器件。但是，如果绝缘层与金刚石表面以共价键结合，那么将对电学性能产生不利影响。金刚石电子器件的性能受绝缘层/金刚石界面原子排列缺陷的影响，然而检测这些处于界面区域的原子级尺寸缺陷却十分困难。近期，日本近畿大学 Mami N. Fujii 研究团队发展了一种光电子能谱全息成像检测技术，可观察界面区域的原子排列及结构。相关研究成果以“Atomic imaging of interface defects in an insulating film on diamond”为题发表在 Nano Letters 上。

       摘要：

       绝缘体/半导体界面结构是影响电子器件性能的关键因素，因此研究界面缺陷起源具有重要的意义。然而，使用传统技术手段很难分析位于绝缘层下部的界面原子排列结构。在本文中，研究人员使用光电子能谱全息成像检测技术分析并揭示了非晶氧化铝和金刚石之间的界面原子及排列结构，发现界面区域内的氢终端金刚石表面主要是由连接两个二聚体的三维 C?O?Al?O?C 桥结构组成。结果表明，光电子能谱全息成像检测技术可以用来揭示晶态和非晶态材料中间界面的三维原子结构。研究人员还发现源于 C?O 键的光电子强度与界面缺陷密度密切相关。本文中关于三维原子结构的分析技术将有助于进一步推进非晶态/晶态界面的研究。

       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金刚石中硅空位中心的室温光致变色

       宽禁带半导体中的色心缺陷有望应用于量子通信、量子计算和量子传感。近年来，金刚石中的硅空位色心缺陷 SiV0 因具有更长的相干时间而逐渐成为研究热点。然而，将硅空位色心缺陷稳定在 SiV0 仍具有挑战性。第一性原理计算表明，硅空位色心缺陷更倾向于形成 SiV- 和SiV2-，且金刚石中其他杂质离子（如硼和氢）对缺陷的形成和稳定也有影响。近期，日本近畿大学 Mami N. Fujii 研究团队研究了 SiV0、SiV? 和 SiV2? 三种色心缺陷的转换过程，揭示了金刚石中硅空位缺陷动力学行为。相关研究成果以“Room-temperature photochromism of silicon vacancy centers in CVD diamond”为题发表在 Nano Letters 上。

       摘要：

       金刚石中的硅空位（SiV）中心通常有三种稳定的电荷状态，即 SiV0、SiV? 和 SiV2?，但对于其形成机理的研究却十分困难，尤其是在室温下的形成过程，这是因为它们的光致发光速率有很大差别。在本文中，研究人员使用共聚焦荧光显微镜来激活和探测常规环境条件下三种空位色心缺陷之间的电荷转换。通过扩散-光生空穴两步捕获技术观测到了 SiV0 缺陷，这一过程是通过在低温条件下直接测量 SiV0 荧光以及在外部施加电场条件下通过观察共聚焦荧光显微镜发现的。此外，研究表明，连续的红光激发会诱导转换过程：首先将 SiV0 转化为 SiV?，再转化为 SiV2?。该研究揭示了 SiV 的电荷动力学行为，并将为纳米传感和量子信息处理应用研究提供参考。

       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、用于光子应用的飞秒激光辐照应变弛豫硅空位中心纳米金刚石薄膜

       纳米级多晶金刚石薄膜有望被应用于金刚石基光电子器件中。与单晶金刚石相比，纳米级多晶金刚石薄膜具有如下优点：成本低廉且容易量产，可生长在低折射率基底上进而形成波导，可以在 CVD 生长过程中形成硅空位（SiV）色心缺陷。然而，由于多晶金刚石薄膜中存在大量的辐射和非辐射缺陷，导致背景光较强，且 SiV 发光也受到抑制。近期，捷克科学院 Lukás? Ondic 研究团队研究了纳米级金刚石薄膜在飞秒激光作用下的性能，发现飞秒激光有助于消除其 sp2 石墨相，提升 SiV 发光性能。相关研究成果以“Strain-relaxed nanocrystalline diamond thin films with silicon vacancy centers using femtosecond laser irradiation for photonic applications”为题发表在 ACS Applied Nano Materials 上。

       摘要：

       与单晶金刚石相比，由于制备工艺简单、可量产和价格低廉，具有带负电硅空位（SiV）发光中心的纳米晶金刚石薄膜（厚度为100~500 nm）有望被应用于光子学或生物传感领域。然而，由于辐射与非辐射缺陷的存在，金刚石薄膜的应用受到严重影响。辐射缺陷会使光致发光光谱中产生有害背景光，而非辐射缺陷则会降低光发射的量子效率，并且这两种类型缺陷都会使发射在薄膜层内并传播的 SiV 光被重吸收。研究人员发现，在纳米晶金刚石薄膜上的飞秒（fs）激光脉冲作用下，与 SiV 缺陷发光相比，背景光的光致发光强度降低 5 倍。拉曼光谱表明，强度降低的主要原因是晶粒之间的 sp2 石墨相被激光烧蚀。sp2 石墨相的减少导致光吸收的局域降低，且 SiV 发射峰值强度提高了约 2 倍。此外，飞秒激光的照射还导致了纳米薄膜内应力的释放，使拉曼峰向单晶金刚石峰方向移动，SiV 中心的零声子线峰位蓝移。此发现可能应用于提高纳米晶金刚石基光子器件中材料的光学4480新热播影院，并且还可以通过扩大激光光束来进行大面积金刚石薄膜应力释放。

       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、门电压调控灵敏度和响应速度的高性能金刚石基光敏晶体管

       响应波长短于 280 nm 的光探测器称为日盲探测器。AlGaN、MgZnO、Ga2O3、SiC 和金刚石等宽禁带半导体均可被用于制作日盲探测器。其中，金刚石由于具有超宽带隙（5.5 eV）、抗辐照、高载流子迁移率、高热导等特点而被广泛研究。在多种不同结构的光探测器中，三极场效应晶体管因引入了门电压调控而具有较高的光电响应性能。近期，山东大学彭燕教授、徐明升副研究员研究团队报道了一种门电压调控灵敏度和响应速度的高性能金刚石基光敏晶体管，并通过能带分析研究了其高性能的产生机理。相关研究成果以“High-performance diamond phototransistor with gate controllable gain and speed”为题发表在 The Journal of Physical Chemistry Letters 上。

       摘要：

       本文介绍了一种基于氢终端金刚石的日盲光电晶体管。与传统的金刚石基光电探测器相比，本文中报道的光电晶体管拥有更大的光电流和响应灵敏度。这些增强效应源自于光电晶体管内部的增益。在 213 nm 光照下，栅极电压（VG）和漏极电压分别约为 ?1.5 V和 ?5 V 时，所制备的光电晶体管具有 2.16×104 A/W 的高光响应性（R）和 9.63×1011 Jones 的探测率（D*）。即使在 ?0.01 V 的超低工作电压下，该器件也能表现出良好的性能，R 和 D* 分别为 146.7 A/W 和 6.19×1010 Jones。通过调节 VG，可以将器件中产生的光电流从快速光电导效应连续调谐到具有高光学增益的光学门控效应。当 VG 从 1.4 V 增加到 2.4 V 时，衰减时间从 1512.0 ms 降低至 25.5 ms。因此，VG可以很好地调节器件的响应度、暗电流、Iphoto/Idark（I 表电流）和衰减时间。

       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