金剛石被認(rèn)為是最具潛力的下一代半導(dǎo)體材料，它是最堅(jiān)硬的天然材料，同時(shí)還具有超寬帶隙、高載流子遷移率、優(yōu)異的熱導(dǎo)率以及獨(dú)特的自旋和光學(xué)特性，在量子計(jì)算領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。目前研究人員已經(jīng)實(shí)驗(yàn)制備了多種新型金剛石結(jié)構(gòu)(如準(zhǔn)晶金剛石、納米孿晶金剛石等)以調(diào)整其性能。特別是1991年發(fā)現(xiàn)了一種特殊的新型金剛石結(jié)構(gòu)(n-Diamond)，其憑借獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征(除了額外的禁止衍射外，它的電子衍射圖案與傳統(tǒng)的金剛石衍射圖案非常匹配)和潛在的應(yīng)用價(jià)值而引起廣泛關(guān)注和研究。然而，由于制備的n-Diamond數(shù)量少、晶粒尺寸小、純度低，其晶體結(jié)構(gòu)尚未確定，從而嚴(yán)重制約了對其形成機(jī)理及性能的研究，限制了其發(fā)展和應(yīng)用。
 

　　近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所成功制備了大尺寸 (9 mm×9 mm×1 mm) 新型單晶金剛石，X 射線衍射譜顯示其與傳統(tǒng)的立方金剛石具有明顯區(qū)別，其具有較強(qiáng)的 (002) 衍射峰，表明其含有新型金剛石結(jié)構(gòu)。研究人員利用球差校正透射電鏡原子尺度表征，結(jié)合皮米精確原子識(shí)別技術(shù)和衍射模擬技術(shù)，發(fā)現(xiàn)并證明了金剛石原子發(fā)生了皮米尺度的不同程度的周期性定向偏移，并分析了原子偏移的物理機(jī)制，提出了新的結(jié)構(gòu)模型(Subdisordered Structures)，解釋了新型金剛石結(jié)構(gòu)特征。第一性原理計(jì)算表明，金剛石的帶隙隨著原子偏移距離的增加而迅速減小(當(dāng)原子偏移17.5 pm 時(shí)，金剛石帶隙從5.5 eV下降到0.5 eV)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果(新型單晶金剛石電導(dǎo)率是傳統(tǒng)單晶金剛石的106倍)一致，因此，皮米尺度原子偏移引起的帶隙快速減小為調(diào)控金剛石電子特性提供了新思路。
 

　　研究結(jié)果澄清了困擾金剛石領(lǐng)域30多年關(guān)于n-diamond晶體結(jié)構(gòu)的問題，為探究n-diamond的物理特性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，對于調(diào)控金剛石的電子特性和開發(fā)高性能金剛石及其相關(guān)器件具有重要意義。相關(guān)工作以“Picometer-Scale Atomic Shifts Governing Subdisordered Structures in Diamond”為題發(fā)表在Nano Letters上，并被選為封面論文(https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01857)。論文第一作者為寧波材料所博士后崔俊峰，通訊作者為寧波材料所江南研究員、柯培玲研究員和陳國新高級(jí)工程師。本工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金和寧波市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
 

　　圖1 新型單晶金剛石XRD衍射譜(a)、傳統(tǒng)單晶金剛石XRD衍射譜(b)和傳統(tǒng)金剛石標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射譜(c)對比

 

圖2 新型單晶金剛石原子偏移透射電鏡表征
 

圖3 金剛石原子偏移引起的電子結(jié)構(gòu)變化