近年來，探索金剛石半導體材料的應用潛力逐步成為世界熱點，特別是金剛石單晶大面積制備、摻雜、器件等研究，受到了前所未有的重視，但其中仍存在許多關鍵性問題尚未解決。

《Carbontech Magazine》編委會特邀浙江工業(yè)大學胡曉君教授，就金剛石在光電功能材料應用領域需要攻克的關鍵難題進行了交流和探討。胡曉君教授提出，堅持原始創(chuàng)新，也許是攻克一個科研難題的前提。

人物檔案

教授、博導、浙江工業(yè)大學材料科學與工程學院副院長、浙江省青年科技工作者協(xié)會副會長、浙江省材料研究學會理事、浙江省女科技工作者協(xié)會理事。浙江 - 俄羅斯金剛石薄膜及功能器件聯(lián)合研究中心負責人、浙江省量子信息與智能材料國際科技合作基地負責人。長期在金剛石薄膜等低維超硬功能材料、納米碳材料和計算材料學等方面開展工作，探索金剛石薄膜等材料的摻雜新方法及光電性能，致力于獲得新穎的光電器件。主持了國家自然科學基金聯(lián)合重點項目、國家國際科技合作項目、國家重點研發(fā)計劃項目子課題、國家自然科學基金、浙江省重點研發(fā)計劃等科研項目 14 項。在 PNAS, APL，Carbon，Nanoscale 等國內(nèi)外期刊發(fā)表論文 80 余篇；以第一發(fā)明人授權發(fā)明專利 25 項，其中授權國際專利 1 項。作為大會主席主辦金剛石薄膜及其功能器件國際研討會 4 次，發(fā)起首屆海峽兩岸金剛石薄膜及其功能器件研討會；擔任全國超硬材料專業(yè)委員會委員、2016年新金剛石及納米碳材料國際會議組委會成員、河南省功能金剛石研究中心學術委員會委員、行業(yè)雜質(zhì)《Functional Diamond》、《超硬材料工程》和《金剛石與磨料磨具工程》編委；并且在國內(nèi)外會議中多次做邀請報告、擔任分會場主席。

金剛石在微電子工業(yè)應用的兩大難題—高質(zhì)量大尺寸單晶金剛石的制備及ｎ型摻雜

金剛石被譽為“終極半導體材料”，具有寬帶隙（5.5 eV）、低介電常數(shù)（5.7）、高載流子遷移率，特別是空穴遷移率比單晶 Si、GaAs 高得多、Johnson 指標和 Keyse 指標均高于 Si 和 GaAs 十倍以上以及極高的耐腐蝕性能等優(yōu)異的性質(zhì)。相比于 Si 和 GaAs 等半導體材料，利用金剛石制造的新一代電力電子器件具有更小、更快、更可靠和更高效的優(yōu)勢，在高溫、高頻、高功率以及耐壓領域具有極大的應用潛力，在電力電子設備、新能源汽車、5G 基站等系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景。

但如何才能真正發(fā)揮金剛石作為下一代半導體材料的優(yōu)勢，使之轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力？前提是必須要解決高質(zhì)量大尺寸單晶金剛石的制備及ｎ型摻雜這兩個瓶頸難題。這也是金剛石在微電子工業(yè)真正廣泛應用的前提。

其中，單晶金剛石大面積制備比較困難，目前并不能像硅片一樣做出大片晶圓。另外，金剛石的 n 型摻雜，這是一個世界性難題。多年來，眾多研究者從理論計算和實驗上尋找有利于獲得低電阻率ｎ型金剛石的雜質(zhì)元素和摻雜方法，都沒有獲得良好的效果。很大原因在于以前大多數(shù)的研究是基于硅單晶摻雜理論，主要的雜質(zhì)元素有氮、磷、硫、鋰等，通過在生長過程中或采用離子注入方法使各種雜質(zhì)摻入到單晶金剛石或微晶金剛石薄膜中，但摻雜后的薄膜電導率低，電子遷移率低，難以用作電子器件。比如，氮是金剛石中的深能級雜質(zhì)，室溫激活能為 1.7 eV，就很難在室溫電離出足夠的載流子；磷的能級雖然稍微淺一點，但它在室溫的導電載流子的能力也不是很強，磷進入金剛石以后，很容易和空位復合，形成磷 - 空位結(jié)，它的電子就不容易被釋放出來。迄今為止，還沒有找到一個比較合適的施主雜質(zhì)。從這個角度講，發(fā)展一種新的摻雜理論，是當務之急。

早在 2000 年左右，胡曉君教授團隊針對這些技術難題，以納米金剛石作為研究對象，布局金剛石功能化應用研究，經(jīng)歷 20 多年的研究歷程，獲得了許多優(yōu)秀的結(jié)果。

選擇納米金剛石薄膜體系為研究對象

納米金剛石薄膜和金剛石塊體材料不一樣，它可以實現(xiàn)大面積的生長，原則上 CVD 設備有多大，它就可以長多大。但真正要實現(xiàn)非常均勻的生長，對設備和工藝有非常高的要求。另外，納米金剛石兼具納米材料的小尺寸效應，量子效應，甚至是表面效應等等，給摻雜帶來不一樣的效果。與單晶金剛石相比，其微結(jié)構為納米金剛石晶粒鑲嵌在非晶碳基體（也稱之為非晶碳晶界）中的復合結(jié)構，也就是說納米金剛石薄膜具有納米金剛石晶粒（3-5 nm）和非晶碳晶界（尺寸為 1-2 nm），這是一個兩相甚至是多相的材料，具有比單晶和微晶金剛石更好的摻雜潛力。

如何解決目前納米金剛石薄膜摻雜及光電性能研究中存在的科研問題？胡曉君教授團隊針對金剛石 n 型摻雜、單個色心調(diào)控等關鍵難題開展了系統(tǒng)深入的研究。

（一）納米金剛石晶粒內(nèi)摻雜

胡曉君教授的團隊采用離子注入方法，在納米金剛石薄膜中摻入磷或氧離子，從而實現(xiàn)了金剛石晶粒內(nèi)的摻雜，這就解決了在 CVD生長過程中，雜質(zhì)優(yōu)先占據(jù)非晶碳晶界位置，導致晶粒內(nèi)沒有被摻雜到的問題。例如，氮很難在 CVD 過程中摻入金剛石晶格。所以胡曉君教授的團隊用離子注入的摻雜方法，把雜質(zhì)以注入的方式摻雜到晶粒內(nèi)部去，實現(xiàn)了晶粒內(nèi)部的摻雜，使納米金剛石晶粒也獲得導電性，從而提高納米金剛石薄膜的導電性能。離子注入方法是半導體材料常用的摻雜方法，但用于納米金剛石薄膜的摻雜是由胡曉君教授團隊首次開展的。

（二）低真空退火處理實現(xiàn)表面態(tài)調(diào)控

一般來說，離子注入對金剛石晶格造成的損傷會影響其電學性，需要退火處理。和普通半導體材料制備過程中采用高真空退火不一樣的是，胡曉君教授團隊對離子注入的納米金剛石薄膜采用了真空度相對比較低的退火條件。因為金剛石薄膜在生長過程中處于富氫環(huán)境，會使得金剛石晶粒表面有一些氫的存在，從而使金剛石呈現(xiàn) p 型半導體性質(zhì)，非常不利于得到 N 型半導體。如果退火氛圍中存在一些氧，會使氫終止的納米金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)檠踅K止的納米金剛石，從而起到p 型半導體轉(zhuǎn)變?yōu)?n 型半導體的作用。這是第二個手段。

（三）晶界結(jié)構調(diào)控的原創(chuàng)性，形成了石墨烯納米帶，提高導電率

非晶相的存在對于半導體材料來說，其導電性能都不太好，電子沒有辦法遠程遷移，造成載流子遷移率比較低，因此提高晶界的導電性十分重要。胡曉君教授團隊采用低真空退火提高非晶相晶界的有序度，讓它接近晶相。這個過程除了把納米金剛石表面由氫終止轉(zhuǎn)變?yōu)檠踅K止以外，同時把非晶碳晶界里的氫去掉，晶界中存在反式聚乙炔，其鏈上的氫在高溫退火下發(fā)生解吸附，使得近鄰的反式聚乙炔鏈上的碳碳鍵發(fā)生鍵合，形成石墨烯納米帶，為電子的快速遷移提供了通道，從而使得遷移率大大提高。

通過這三個手段，胡曉君教授團隊建立了納米金剛石晶粒內(nèi)摻雜、氧終止態(tài)調(diào)控和晶界導電網(wǎng)絡構建提升納米金剛石薄膜 n 型導電性能的協(xié)同機制，在實驗中得到高質(zhì)量 N 型納米金剛石薄膜，遷移率高于 300 cm2/Vs，在近期實驗中已經(jīng)達到 500 cm2/Vs，甚至更高。為下一步 PN 結(jié)納米金剛石基原型器件奠定了良好的基礎。

胡曉君教授認為，“納米金剛石薄膜在半導體器件領域潛力巨大，需要不斷堅持往前走下去，可能會有更多新發(fā)現(xiàn)。例如可能發(fā)展出不同于硅基體系的摻雜理論等?！边@也是胡曉君教授團隊目前和將來要做的工作，他們的工作將為納米金剛石薄膜基電子器件的研制奠定重要基礎。

金剛石是性能優(yōu)異的光電功能材料，在單光子光源等領域有重要的應用價值！

近年來，金剛石中的色心缺陷愈發(fā)受到關注。具備良好發(fā)光性能的色心金剛石具有廣泛的應用前景，例如生物熒光標記以及單光子發(fā)射源。目前已知的金剛石色心超過 500 種，其中 10 種以上具備發(fā)射單光子的能力。氮空位（NV）色心廣泛存在于天然金剛石及爆炸法制備的合成金剛石中。帶負電荷的氮空位色心常溫下在 638 nm 處存在光致發(fā)光，其發(fā)光壽命為 11-25 ns。但是，氮空位色心的光致發(fā)光譜中有較大的邊帶，導致其發(fā)光效率低下，僅有 4% 的光子集中在其零聲子線上。與之相對的，硅空位（SiV）色心的發(fā)光峰位于737 nm，發(fā)光非常穩(wěn)定，70% 的熒光集中于尖銳的零聲子線，發(fā)光峰寬很窄可以低至 0.5 nm，并且其壽命極短，約 1 ns，是極具潛力的可在室溫下工作的單光子光源，對于量子通信系統(tǒng)的構建和應用具有重要意義。但是，單個色心硅空位納米金剛石的制備十分困難。目前，國際上只在隕石中發(fā)現(xiàn)過 2 nm 金剛石結(jié)構中存在單個色心。胡曉君教授團隊通過對納米金剛石尺寸和表面態(tài)的協(xié)同調(diào)控，人工合成了尺寸為 2-4 納米的金剛石；并與中國科技大學研究人員合作，測試證明了這些超小尺寸納米金剛石中含有少于 3 個色心，這項工作獲得國際專利授權，也得到郭光燦院士的高度評價與認可。胡曉君教授團隊還闡明了氧終止態(tài)對于提高金剛石色心發(fā)光性能的機理，發(fā)展出了氧化處理提升色心發(fā)光強度的普適性方法，該方法得到國內(nèi)外同行的廣泛應用。

針對金剛石在光電器件方面的應用前景，胡曉君教授認為目前主要有 3 個方向的應用：（1）做出 PN 結(jié)用到半導體器件中，這是最廣泛的應用。（2）用在拉曼激光器、日盲探測器等領域，離產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)稍微要近一點，但應用廣泛度不如半導體器件。（3）金剛石色心的應用研究。一方面，利用金剛石色心作為量子信息系統(tǒng)里的單光子源，這是一個非常有價值且重要的研究課題，是在國外引起高度重視的領域，如美國曾在某年一個重要研究計劃設立了兩項關于金剛石色心的研究項目。另一方面，利用金剛石色心的磁效應，可以用來作為溫度傳感器等，非常靈敏，但是我國研究的并不多。同時，金剛石色心還可以在生物材料里作為熒光標記來使用，以及在生物醫(yī)藥可以將靶向藥物送到指定的地方。

企業(yè)孵化基礎研究成果是一個漫長的磨合過程，需要企業(yè)有大格局

當然，產(chǎn)學研合作也是金剛石功能化應用推廣的一個必經(jīng)之路與重要手段！胡曉君教授認為“一項基礎性成果轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，這中間有很長的路要走，需要很多的研究，還有磨合！企業(yè)來轉(zhuǎn)化基礎研究的成果，首先需要有足夠強的資金實力以及研發(fā)實力，還需要有相當大的格局。創(chuàng)建初始，所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益不會立竿見影，這對企業(yè)來說并不是件易事，需要做好長期‘戰(zhàn)斗’的思想準備?！?/p>

例如，2014 年，日本名古屋大學和名城大學教授赤崎勇、名古屋大學教授天野浩和美國加利福尼亞大學教授中村修二因在全球首次成功研發(fā)出高效的藍色發(fā)光二極管（LED）共同獲得諾貝爾物理學獎。這個發(fā)明是革命性的，白熾燈照亮了 20 世紀，21 世紀將由 LED 燈照亮。但最初 LED 在 20 世紀 60 年代只能研發(fā)出紅色和綠色，光學三原色中的藍色因材料結(jié)晶制作困難，一度被認為“難以在 20 世紀內(nèi)實現(xiàn)”。這一研究使用的就是全球研究者已放棄的氮化鎵制成結(jié)晶。成功研發(fā)出藍色 LED，乃至包括白色在內(nèi)所有顏色的 LED，這整個漫長過程都是在企業(yè)完成。從研究初期到宣布重要成果，多年來企業(yè)從未獲得過經(jīng)濟回報，但依然無條件的資助，這是需要企業(yè)具有相當大的格局的。當然這種信任與科研氛圍也需要慢慢培養(yǎng)，尤其是在產(chǎn)學研合作的過程中，難免會有看法不一致的時候，這中間需要長時間的磨合，長長的路，我們要慢慢的走。慢培養(yǎng)，尤其是在產(chǎn)學研合作的過程中，難免會有看法不一致的時候，這中間需要長的時間的磨合，長長的路，我們要慢慢的走。

科研工作者的核心就是要創(chuàng)新！這個過程是充滿困難的！

“科研是國際的，必須要把自己的研究放到國際舞臺上！”胡曉君教授在科研過程中不斷地執(zhí)行這一理念。目前，不管是 CVD 制備，還是高溫高壓制備金剛石，我國金剛石的產(chǎn)量在國際上是很大的，但如何實現(xiàn)金剛石的功能化應用，還是比較欠缺的，這也是我國金剛石行業(yè)目前和國際上的主要差異。

胡曉君教授認為，“首先是要樹立創(chuàng)新的意識。我們要相信自己可以并且一定能夠創(chuàng)新，而不是跟風?！?/strong>這個意識對于科研人員來說，非常重要！而在現(xiàn)實科研過程中，“小用”自己的“聰明才智”,不敢標新立異，不去嘗試新的工作是很常見的。所以說，樹立創(chuàng)新意識在科研領域至關重要，但這確實很難！

“科研難題的解決過程就像攻占一個山頭，第一批人犧牲了成為炮灰，然后還得有第二批、第三批……，最前面的可能都犧牲了，但是通過越來越多人不斷的堅持上去，最終會把山頭拿下來。同樣，對于一個新研究成果的首次出現(xiàn)，不被大家認可是正常的，可能發(fā)表的期刊也不是很好，但通過堅持，不斷優(yōu)化實驗結(jié)果，以數(shù)據(jù)說話，總會得到行業(yè)的認可；最后逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，真正實際應用起來?！?strong>胡曉君教授補充道，“科研人員如果要突破障礙，將科研難題的山頭牢牢地攻占下來，取得創(chuàng)新性成果，首先要樹立創(chuàng)新意識；第二要有勇氣；第三，要有創(chuàng)新的能力，將科研工作做的足夠深，足夠多。這個過程最開始肯定是非常艱難辛苦的，但也許這是一條創(chuàng)新的能夠解決科研難題的途徑！”

一般來說，從石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸枰邷馗邏簵l件，但根據(jù)胡曉君教授團隊最新的研究來看，在低壓下也可以轉(zhuǎn)變，這是超過大多數(shù)人的認知的，但事實就是這樣。通過多次實驗，理論計算，不停地展示成果……，直到被認可，這個過程是十分艱難的，胡曉君教授一直嚴格要求團隊，他們正在走的就是這樣的一條創(chuàng)新的路！

科研工作者的核心就是要創(chuàng)新，但其中的艱難可想而知。槍打出頭鳥，這也是我們的文化所決定的，我們都很害怕當那只出頭鳥，如果放開思想的束縛，你當那一只鳥又怎樣呢？槍把你打了又能怎樣？或許這是你獲得第一桶金的機會。作為一名科研工作者，走一條沒有人走的路，下定決心不放棄這項創(chuàng)新研究，即使孤身一人，遇到很多坎坷，堅持下來最后光明總會在的。如果總是跟著別人的腳步，短時間來看是安全地，穩(wěn)妥的，也許也會有不錯的結(jié)果，但到人生的最后時刻，回首一生問一問自己，你是一名合格的科研工作者嗎？你有沒有達到心中的要求？這也是對每一位科研工作者的靈魂拷問！如果放開思想的束縛，你當那一只鳥又怎樣呢？槍把你打了又能怎樣？作為一名科研工作者，走在一條沒有人走的路，下定決心不放棄這項創(chuàng)新研究，即使孤身一人，遇到很多坎坷，堅持下來最后光明總會在的。如果總是跟著別人的腳步，短時間來看是安全地，穩(wěn)妥的，也許也會有不錯的結(jié)果，但到人生的最后時刻，回首一生問一問自己，你是一名合格的科研工作者嗎？你有沒有達到心中的要求？這也是對每一位科研工作者的靈魂拷問！

科研人員究竟是為了什么做科研？

“科研方向的選擇固然重要，但做好基礎研究與產(chǎn)業(yè)化應用兩個方向之間并不矛盾，因為這兩件事情可能并不一定需要一個人來做?！?/strong>也就是說，術業(yè)有專攻，一項研究到產(chǎn)品應用，每一步都有很多的問題需要解決，不同的階段要形成梯隊式的人才和技術儲備，才有可能最終解決這樣一個問題。這實際上是有好幾個鴻溝需要跨越的。