洪恒飞 科技日报记者 江耘
9月12日，记者从浙江大学获悉，该校信息电子工程学院林时胜教授团队，利用自制的微波等离子体化学气相沉积系统，成功制备出了硼氮共掺杂的块体单晶金刚石半导体，并成功通过迁移率调控，实现了金刚石的超导态和金属态，部分证实了激子超导机制的可行性，为实现碳基更高温超导提供了新路径。相关论文近日发表在国际学术期刊《先进功能材料》上。
金刚石由于具有超宽禁带、超高击穿场强、熔点高及热导率高等物理性质，被誉为“终极半导体材料”。常规超导体的理论基础是BCS理论，该理论认为声子耦合电子库珀对来形成超导，指出超导转变温度一般低于40K（约零下233摄氏度），称为麦克米兰极限。然而，有理论物理学家指出，利用激子来实现石墨烯等碳基材料中的耦合电子库珀对，也可能获得非常规高温超导体。
“激子指的是半导体中电子和空穴形成的复合体。超导表明材料在某个温度下实现零电阻和完全抗磁性状态。”林时胜介绍，作为碳基半导体材料，在金刚石中引入激子来实现非常规超导很值得期待。
科研团队通过调节金刚石生长过程中的压强、温度以及气体掺杂比例等，制备得到的重掺杂金刚石表现出良好导电性，超导转变温度为3K（约零下270度）。通过调节缓冲层的生长参数，他们发现具有较高空穴迁移率的样品可以实现超导态，这得益于局域束缚激子通过硼掺杂引起的空穴充分耦合，从而实现超导态。大尺寸单晶超导金刚石的制备为量子传感以及量子计算芯片的开发提供了坚实的基础。
林时胜说，团队将石墨烯转移至硼氮共掺杂单晶金刚石表面，制备石墨烯/金刚石异质结后，发现石墨烯中也实现类似超导特性的新型电学传输行为。在27K（约零下246度）下，团队观测到石墨烯的电阻开始下降，这揭示了金刚石以及石墨烯通向更高温度超导的可行性。除此之外，林时胜团队也在锂电池负极上实现了超越4500mAh/g的超高比容量新型负极材料，目前，正推动该材料走向量产，有望大幅度提升新能源汽车等锂电池产品的续航里程数。
