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掺硼金刚石的超前沿应用

发表时间:2022-09-16 09:38作者:化合积电网址:https://www.csmc-semi.com/

氮空位(NV)中心是指在金刚石中由一个替位氮原子和一个空位构成的点缺陷。NV中心有望应用于固态量子比特、高灵敏度量子传感器等领域。在量子应用中,带负电荷的NV-中心必须处于稳定状态,因为NV器件的灵敏度等参数正比于NV-中心数量。同时,如果NV中心变成中性或带正电荷 (NV0或NV+),其自旋状态将无法操控。在硼掺杂金刚石中,NV中心为NV+状态,因此很少有人研究硼掺杂金刚石的NV中心。但是在低浓度硼掺杂金刚石中NV状态不同,而且它具有超长(毫秒级)自旋相干时间。目前将硼掺杂浓度控制在1015 cm-3以下的技术难度很高,但是在未来应用中,低浓度硼掺杂金刚石NV中心的研究仍然具有重要意义。近期,日本国立材料研究所研究了低浓度硼掺杂([B]≈1×1015 cm3)金刚石中带负电荷的NV-中心的稳定性,相关研究结果发表在Carbon上。

图1   NV中心的深度与能量的关系


金刚石中的氮空位(NV)中心必须处于稳定的负电荷状态才能应用于量子传感和量子信息处理领域。我们研究了低浓度硼掺杂([B] ≈1015 cm3)金刚石中单个NV中心的电荷态稳定性。光致发光和光磁共振测试表明,尽管存在硼电子受体,但金刚石表面附近的单个NV中心仍然是带负电的。这一奇特现象可以通过在激光激发下NV中心与其周边晶格环境之间的电荷转移过程来解释。本工作为研究低浓度硼掺杂金刚石中单个NV中心电荷的稳定性提供了新的视角,并为进一步开发高性能的金刚石量子器件提供理论依据。


全氟辛酸(PFOA)污染物毒性较大且分布广泛,能产生生物积累效应,对环境造成的污染日益严重。PFOA具有高的电负性(+3.6V vs SHE)和结构稳定的长链氟碳键,其降解难度较大。研究表明,采用硼掺杂金刚石电极的异质电荷转移效应可以降解PFOA。然而受比表面积较小和扩散速率慢的限制,传统的平面硼掺杂金刚石电极对PFOA的降解速率较低。近期,中南大学研究团队和江南大学研究团队合作采用3D打印技术制备了具有三维周期孔结构的钛基底,并结合热丝化学气相沉积法制备出三维孔结构硼掺杂金刚石电极,其性能明显优于平面结构的硼掺杂金刚石电极,相关研究结果发表在Separation and Purification Technology上。

图2 三维孔结构掺硼金刚石示意图




采用金刚石为阳极的电化学法降解全氟辛酸(PFOA) 污染物是一项重要的策略。但 PFOA 的降解效率仍然受目前平面型金刚石电极低电化学活性表面积 (EASA) 和扩散传质效率的限制。我们通过3D 打印技术与热丝化学气相沉积 (HF-CVD) 法成功制备了周期性多孔硼掺杂金刚石(PP-BDD)电极。在 20 mA·cm-2 的电流密度下,与传统的平面BDD电极(kapp = 0.006 min-1,归一化速率常数为 1.8 m·s-1)相比,所制备的PP-BDD电极(kapp = 0.022 min-1,归一化速率常数为 6.6 m·s-1)具有更高的 PFOA 降解速率。计算得出PFOA 对PP-BDD的传质系数km (2.6×10-5 m·s-1) 比 2D-BDD (0.42 × 10-5 m·s-1) 的高约6.1倍。电子顺磁性共振(EPR)测试表明,与2D-BDD电极相比,PP-BDD电极在电解过程中会产生更多的•OH 和SO4•-自由基。独特的周期性孔结构使PP-BDD比2D-BDD具有更高的EASA和传质效率。因此,到达PP-BDD电极表面的电解质和PFOA分子数量增加。这项工作可以为基于周期性孔结构的BDD电极的设计提供指导,进而实现难降解污染物的有效电化学氧化处理。



监测血氧水平对于判断从肺到细胞的健康状况至关重要。如果血液中缺氧,可能会导致呼吸问题,即低氧血症,表现出呼吸急促、头痛、头晕、胸部痛、高血压等症状。因此,对于血氧水平的检测方法研究一直受到广泛研究。通常采用的光谱学检测法虽然精度高,但是成本昂贵。近期,日本研究团队提出了一种采用未经修饰的硼掺杂BDD电极作为工作电极测量牛血红蛋白溶液中的血氧浓度,检测过程简单,成本低廉,相关研究结果发表在Analytical Chemistry上。

图3   未经修饰的硼掺杂BDD电极作为工作电极测量牛血红蛋白溶液中的血氧浓度过程图



采用硼掺杂金刚石(BDD)电极对血液中氧气(O2)的电化学行为进行研究。循环伏安法测试结果表明,在含有1×10-6 mol/L的牛血红蛋白的0.1 mol/L 磷酸盐缓冲溶液中,测得O2在-1.4 V处有还原峰(相对于Ag/AgCl)。此外,通过改变扫描速率研究了O2的还原反应机理,其主要过程是O2得到两个电子转化为H2O2。硼掺杂金刚石(BDD)电极在86.88 ~ 314.63 mg·L-1 (R2 = 0.99) 浓度范围内表现出线性关系,检测限为1.0 mg·L-1 (S/B = 3),检测性能优于玻碳电极或铂电极。此外,还进行了针对牛血检测的实验研究,对比了BDD 电极和OxyLite Pro光纤氧传感器对血液中O2浓度的检测结果,发现两种方法测出的O2浓度值相似,范围为40 ~ 150 mmHg,这表明BDD电极可用于检测血液中的O2浓度。



化合积电是一家专注于金刚石研发和生产的高科技企业。我们致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料和器件公司,通过不断的产品研发和技术创新,为破解“卡脖子”难题和推动科技的发展和进步贡献力量。现有核心产品晶圆级金刚石(Ra<1nm)、金刚石热沉片、金刚石基氮化镓外延片、金刚石基氮化铝薄膜等,其中金刚石热沉片的热导率高达1000-2000W/m.k。目前,采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信,在RF功率放大器、激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。


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