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洪恒飛 科技日報記者 江耘

9月12日，記者從浙江大學獲悉，該校信息電子工程學院林時勝教授團隊，利用自制的微波等離子體化學氣相沉積系統，成功制備出了硼氮共摻雜的塊體單晶金剛石半導體，并成功通過遷移率調控，實現了金剛石的超導態和金屬態，部分證實了激子超導機制的可行性，為實現碳基更高溫超導提供了新路徑。相關論文近日發表在國際學術期刊《先進功能材料》上。

金剛石由于具有超寬禁帶、超高擊穿場強、熔點高及熱導率高等物理性質，被譽為“終極半導體材料”。常規超導體的理論基礎是BCS理論，該理論認為聲子耦合電子庫珀對來形成超導，指出超導轉變溫度一般低于40K（約零下233攝氏度），稱為麥克米蘭極限。然而，有理論物理學家指出，利用激子來實現石墨烯等碳基材料中的耦合電子庫珀對，也可能獲得非常規高溫超導體。

“激子指的是半導體中電子和空穴形成的復合體。超導表明材料在某個溫度下實現零電阻和完全抗磁性狀態。”林時勝介紹，作為碳基半導體材料，在金剛石中引入激子來實現非常規超導很值得期待。

科研團隊通過調節金剛石生長過程中的壓強、溫度以及氣體摻雜比例等，制備得到的重摻雜金剛石表現出良好導電性，超導轉變溫度為3K（約零下270度）。通過調節緩沖層的生長參數，他們發現具有較高空穴遷移率的樣品可以實現超導態，這得益于局域束縛激子通過硼摻雜引起的空穴充分耦合，從而實現超導態。大尺寸單晶超導金剛石的制備為量子傳感以及量子計算芯片的開發提供了堅實的基礎。

林時勝說，團隊將石墨烯轉移至硼氮共摻雜單晶金剛石表面，制備石墨烯/金剛石異質結后，發現石墨烯中也實現類似超導特性的新型電學傳輸行為。在27K（約零下246度）下，團隊觀測到石墨烯的電阻開始下降，這揭示了金剛石以及石墨烯通向更高溫度超導的可行性。除此之外，林時勝團隊也在鋰電池負極上實現了超越4500mAh/g的超高比容量新型負極材料，目前，正推動該材料走向量產，有望大幅度提升新能源汽車等鋰電池產品的續航里程數。