近日，物理工程学院刘晓兵教授（实验）和陈欣教授（理论）研究团队在高压制备n型导电金刚石领域取得重要进展，部分相关成果发表在国际顶尖期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS，Boron-oxygen complex yields n-type surface layer in semiconducting diamond，DOI： 10.1073/pnas.1821612116）。刘晓兵教授为论文第一作者与通讯作者，陈欣教授为论文第二作者与合作通讯作者，曲阜师范大学为论文第一作者与通讯作者单位。

众所周知，金刚石作为自然界中最坚硬的物质，还具有最大热导率（20 Wcm-1K-1）、最宽透光波段、最快声速、高德拜温度（1800 K）、耐腐蚀、抗辐射、超宽带隙（5.47 eV）、高击穿电压、高载流子迁移率（3800–4000 cm2V-1s-1）等多种优异的物理性能，被认为是最有潜力的宽带隙半导体材料之一。纯净金刚石是良好的绝缘体，容易通过掺杂少量硼元素形成p型半导体。然而，迄今为止，n型金刚石半导体的制备仍是材料物理界最富有挑战性的课题之一。为了解决宽带隙金刚石半导体的单极性、施主杂质能级深、电阻率高等科学难题，刘晓兵教授团队利用高温高压合成技术实现了n型多元共掺杂金刚石单晶的制备。

该团队研究发现，在重掺硼金刚石单晶生长过程中，硼原子主要富集于{111}生长晶面，并倾向于与氧原子结合形成B-O复合缺陷，可以在1000 K以上保持稳定。在高温高压条件下，通过调节金刚石晶体中B-O元素的比例，可以实现p型向n型电导转变，且具有极高的载流子浓度（~1021 cm-3），大幅提升了传统硫、磷掺杂n型金刚石半导体的载流子浓度（1017–1019 cm-3）。通过在金刚石结构中构建B-O复合缺陷模型，利用第一性原理模拟发现，B3O与B4O是两种具有浅能级结构的潜在施主杂质，且B-O复合缺陷的形成能较低，因而在高温高压实验条件下最容易形成。该项研究成果为在金刚石结构中寻找新的浅能级施主提供了新思路，是利用极端条件科学装置开展新材料物理研究的典型案例。

该成果实验工作主要依托我校物理学科的高压实验室完成，是山东省内首个可以同时满足利用六面顶大腔体液压设备在7.0 GPa高压、2700 K高温条件下开展材料合成实验，并可利用金刚石对顶砧与激光加热技术在100 GPa及1.8–4000 K范围内开展材料物性原位测试的实验平台。理论模拟工作在我校高性能计算科学中心服务器上完成。该项研究得到了国家自然科学基金委、山东省一流学科建设项目、曲阜师范大学人才引进专项等资金资助。

据悉，创刊于1914年的《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，缩写PNAS）是世界公认的四大期刊（《Nature》、《Science》、《Cell》、《PNAS》）之一，主要由美国科学院院士撰稿审稿，国际学术声誉高，也是被引用次数最多的综合学科期刊之一。