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首张钻石表面原子级高清图问世：东京大学团队揭开半导体材料新篇章

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-02-01 16:15

正文

▲第一作者：张润楠

通讯作者：杉本宜昭

通讯单位：东京大学

论文DOI：10.1021/acs.nanolett.4c05395（点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

研究团队成功开发出一种利用原子间力显微镜（AFM）在原子尺度上观测钻石表面的方法。该技术首次实现了对钻石表面单个碳原子的可视化，为原子级别分析钻石开辟了新途径。

背景介绍

钻石因其高载流子迁移率、高热导率和高绝缘击穿电场等优异特性，被视为终极半导体材料，广泛应用于电力和量子器件。然而，在器件制造过程中，尤其是微小器件，原子级别的缺陷对性能的影响不容忽视。因此，提升器件性能需要对钻石表面进行原子尺度的评估。研究团队首次利用原子间力显微镜成功实现了对钻石表面单个碳原子的可视化。这一方法为原子尺度的钻石分析开辟了新途径，未来有望在揭示钻石薄膜的生长机制和提升钻石器件性能方面作出重大贡献。

本文亮点

研究团队通过在超高真空环境下操作的原子间力显微镜（AFM），成功可视化了钻石表面单个碳原子。产综研的等离子体化学气相沉积（CVD）技术可在优化的薄膜生长条件下，制备出原子级平坦的钻石薄膜表面。本研究利用该技术制备的钻石（001）面作为样品，该表面由成对排列的碳原子组成。由于成对碳原子间距仅为1.39埃（1埃=10亿分之一米），单个碳原子的可视化一直是难题。此次，研究团队使用活性硅探针进行AFM观测，将探针与表面距离接近至数埃，成功观测到单个碳原子。通过该技术，研究团队还观察到了与钻石薄膜生长和器件性能相关的原子级缺陷，如空位等。为进一步揭示钻石表面单个碳原子的可视化机制，研究团队在物性研究所利用OpenMX进行第一性原理计算，发现成对的碳原子有与探针形成化学键的可能性。当硅探针模型接近钻石表面模型时，成功再现了实验中检测到的碳原子信号。

图文解析

钻石的结构模型与AFM图像

（a）钻石（001）面的结构模型。上图为从上方观察表面结构的模型，下图为从侧面观察的结构模型。黑色圆点表示最表面的碳原子，这些碳原子形成了配对以达到稳定状态。

（b）钻石（001）面的AFM图像。图中可清晰可视化单个碳原子。在右上方可以观察到一个碳原子对缺失的空位（白色椭圆标记）。

用于第一性原理计算的钻石（001）面和AFM探针模型

该图显示了探针尖端的硅原子与钻石表面碳原子之间形成化学键的情况。最表面的碳原子与从真空侧接近的原子发生相互作用的区域用蓝色表示（箭头所示）。可以观察到形成了斜向的化学键。

总结与展望

本研究成果为原子尺度分析钻石表面提供了新方法，有望在揭示钻石薄膜的生长机制和提升钻石器件性能方面作出重大贡献。例如，通过分析不同条件下制备的钻石薄膜，研究其平坦性和缺陷分布，可明确制备原子级平坦且洁净的钻石薄膜的条件。此外，研究团队开发的单原子元素识别方法也可用于分析钻石表面的掺杂剂和杂质原子分布，从而评估利用缺陷的量子器件并探索新功能。

参考文献：

【1】Giessibl, F. J. Atomic resolution of the silicon (111)-(7 × 7) surface by atomic force microscopy. Science 1995, 267, 68-71

【2】Hembacher, S.; Giessibl, F. J.; Mannhart, J. Force Microscopy with Light-Atom Probes. Science 2004, 305, 380-383.

【3】Gross, L.; Mohn, F.; Moll, N.; Schuler, B.; Criado, A.; Guitian, E.; Pena, D.; Gourdon, A.; Meyer, G. Bond-order discrimination by atomic force microscopy. Science 2012, 337, 1326-1329

【4】Bobrov, K.; Mayne, A. J.; Dujardin, G. Atomic-scale imaging of insulating diamond through resonant electron injection. Nature 2001, 413, 616-619

【5】Sugimoto, Y.; Pou, P.; Abe, M.; Jelinek, P.; Perez, R.; Morita, S.; Custance, O. Chemical identification of individual surface atoms by atomic force microscopy. Nature 2007, 446, 64-67.

其他日本新闻报道：

https://www.k.u-tokyo.ac.jp/information/category/press/11373.html

https://engineer.fabcross.jp/archeive/250110_u-tokyo-ac.html

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