近日，美国能源部阿贡国家实验室的科研团队在金刚石基电子器件领域取得重要进展。他们通过将二维材料与金刚石异质集成，成功克服了金刚石半导体应用中的关键掺杂难题，为实现高性能、耐极端环境的下一代电子器件提供了全新方案。相关研究成果已发表于学术期刊《纳米快报》。

金刚石拥有无与伦比的物理特性：其热导率居所有材料之首，并能耐受极端温度、高压、高辐射环境，同时具有极低的电能损耗。这些性质使其成为制备紧凑、高功率电子器件的理想半导体材料，有望应用于智能电网、工业电控、航天及核能等领域。然而，金刚石要成为主流半导体，长期面临一个核心瓶颈——“n型掺杂”困难。这涉及向金刚石晶格中掺入特定杂质原子以提供自由电子，与提供空穴的“p型掺杂”结合，才能构成现代电子器件基础的功能单元——PN结。传统的磷掺杂方法因原子尺寸不匹配和电子束缚能过高，导致材料缺陷且仅在高温下有效，无法满足室温实用需求。

为突破这一限制，研究团队创新性地采用了异质集成策略。他们摒弃了在金刚石晶格内部进行化学掺杂的传统思路，转而将一种已得到深入研究的二维材料——二硫化钼(MoS₂)薄层，直接堆叠在p型金刚石表面。研究发现，在两者界面处发生了电荷转移与重排，从而在金刚石表层诱导产生了类似n型掺杂的导电行为。这一过程被称为“静电掺杂”，它通过电场效应而非原子置换来调控载流子，避免了晶格损伤。更关键的是，在施加电压时，电子会通过“隧穿”机制从二维材料层进入金刚石，并与其中的空穴复合形成电流，使得整个器件能够在室温下高效工作，性能参数远超以往的金刚石器件。

此项研究标志着金刚石电子学发展的一个范式转变。这种异质集成方法不仅巧妙地绕过了长期困扰业界的体材料n型掺杂难题，而且结合了金刚石卓越的散热与抗辐射能力以及二维材料独特的电学调控特性。未来，研究团队计划进一步测试此类器件在强辐射环境下的稳定性及其与传统电子工艺的兼容性，并探索与其他二维材料的组合以优化性能。该技术路径为开发适用于极端条件的高可靠、高功率密度电子系统开辟了一条切实可行的新道路。

出版详情：作者：Akshay Wali 等人，标题：《硼掺杂 p 型金刚石与单层 n 型 MoS₂ 的异质集成用于室温下工作的 PN 结》，发表于：《纳米快报》 (2025)。期刊信息：《纳米快报》