金剛石被認為是最具潛力的下一代半導體材料，它是最堅硬的天然材料，同時還具有超寬帶隙、高載流子遷移率、優異的熱導率以及獨特的自旋和光學特性，在量子計算領域也有廣闊的應用前景。目前研究人員已經實驗制備了多種新型金剛石結構(如準晶金剛石、納米孿晶金剛石等)以調整其性能。特別是1991年發現了一種特殊的新型金剛石結構(n-Diamond)，其憑借獨特的結構特征(除了額外的禁止衍射外，它的電子衍射圖案與傳統的金剛石衍射圖案非常匹配)和潛在的應用價值而引起廣泛關注和研究。然而，由于制備的n-Diamond數量少、晶粒尺寸小、純度低，其晶體結構尚未確定，從而嚴重制約了對其形成機理及性能的研究，限制了其發展和應用。
 

　　近期，中國科學院寧波材料技術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的立方金剛石具有明顯區別，其具有較強的 (002) 衍射峰，表明其含有新型金剛石結構。研究人員利用球差校正透射電鏡原子尺度表征，結合皮米精確原子識別技術和衍射模擬技術，發現并證明了金剛石原子發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制，提出了新的結構模型(Subdisordered Structures)，解釋了新型金剛石結構特征。第一性原理計算表明，金剛石的帶隙隨著原子偏移距離的增加而迅速減小(當原子偏移17.5 pm 時，金剛石帶隙從5.5 eV下降到0.5 eV)，與實驗結果(新型單晶金剛石電導率是傳統單晶金剛石的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控金剛石電子特性提供了新思路。
 

　　研究結果澄清了困擾金剛石領域30多年關于n-diamond晶體結構的問題，為探究n-diamond的物理特性提供了結構基礎，對于調控金剛石的電子特性和開發高性能金剛石及其相關器件具有重要意義。相關工作以“Picometer-Scale Atomic Shifts Governing Subdisordered Structures in Diamond”為題發表在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工程師。本工作得到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金面上項目、浙江省自然科學基金和寧波市自然科學基金等項目的支持。
 

　　圖1 新型單晶金剛石XRD衍射譜(a)、傳統單晶金剛石XRD衍射譜(b)和傳統金剛石標準粉末衍射譜(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構變化