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“金刚石+铌”构建超导探测器

原创 DT半导体材料 2024-07-09 19:24
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2024年3月，俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所（Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences）、斯科尔科沃科学技术研究院（Skoltech）等联合研究团队发表一项研究，通过金属铌使金刚石金属化，来提高金刚石和过渡金属之间的附着力。当铌在金刚石表面形成碳化铌膜后，具有超导特性。这种金刚石膜在未来科学技术领域，尤其是单光子探测器方面很有前景，将可能制备出高热导率的超灵敏量子检测设备。
相关研究成果以“Synthesis and characterization of niobium carbide thin films on diamond surface for superconductive application”为题发表于Journal of Alloys and Compounds期刊上。
   金刚石，两个局限性
金刚石不仅可以闪耀的珠宝，在工业领域也大有可为。
金刚石由于具有极高的硬度、良好的耐磨性和光电热等特性，广泛应用于磨料磨具、光学器件、新能源汽车和电子封装等领域。
“不过，金刚石有两个局限性，一是大尺寸金刚石衬底的合成，二是金属触点与金刚石表面的附着力差”，研究人员Stanislav Evlashin在媒体声明中说到，“当我们研究电离辐射探测器，用金或者其他材料制成触点时，这种触点与金刚石的附着力非常差。当时，我们就想知道如何克服这种附着力差的问题”。
在实际应用中，由于金刚石表面惰性强，与很多物质结合困难，制约了其应用与推广。金刚石表面金属化则是最有效方法之一，它可以赋予金刚石表面新的特性，例如优异的导热性、良好的热稳定性、改善的润湿性以及其原有的物理和化学性能。
目前，金刚石表面镀层使用的金属材料是钛、铬、钽、锆等金属。当它们与碳原子相互作用时，会形成一层金属碳化物。而该研究的作者们选择金属铌。
铌作为过渡金属，常温下，不与空气发生反应，在氧气中红热时也不会被完全氧化，在高温下能与硫、氮、碳直接化合。它也能够在金刚石表面形成化学稳定的碳化铌膜 (NbxCy)。这也是该研究团队选择的原因之一。
通常，碳化铌薄膜可以通过反应磁控溅射、热反应扩散、化学溶液和聚合物沉积等方法获得。但由于 Nb 的熔点极高（2751 K）且与化学计量组成存在显著偏差，合成碳化铌薄膜仍然是一项挑战。合成混合物中碳的缺乏或过量会导致碳空位或无定形碳过量，从而相应地降低此类碳化物的各种性能。因此，达到 NbC 的化学计量完美性是改善所得薄膜导电性能的重要任务。
   在金刚石表面制造超导体
研究人员通过磁控溅射将铌沉积在金刚石表面，并在真空中退火以形成 NbC。并尝试在金刚石表面制造超导体。通过对碳化铌的晶格常数随碳缺陷浓度变化的理论计算表明，所获得的碳化铌层具有超导特性。
“我们尝试在金刚石表面制造超导体，并意识到如果我们在金刚石表面沉积铌，然后对其进行退火，退火过程中会发生以下相变：铌膜在加热后会变成Nb₂C化合物，在进一步加热到1200℃以上会变成NbC。”Evlashin说道。
该研究的共同作者，能源转型中心教授Alexander Kvashnin补充说到，“对碳化铌超导特性的计算表明，在19.4 K的温度下发生了超导转变，这与实验测量值非常接近，”Kvashnin 说道。
值得注意的是，与其他铌基合金相比，该实验获得的碳化铌薄膜质量很高。根据碳缺陷浓度，对碳化铌晶格常数的理论计算表明，在金刚石上合成碳化铌的方法可以获得高质量的碳化铌，其晶格参数接近无缺陷材料。
“碳化铌薄膜中缺陷浓度较低，从而使电子扩散值足够高，这一点，加上观察到的超导特性，对于量子检测设备具有实际意义。”莫斯科国立师范大学的研究科学家Anna Kolbatova表示，“将具有超导特性的碳化铌膜涂在金刚石表面，则有可能利用其高导热性制造出超灵敏探测器。金刚石的高导热性将有助于检测信号——这比其他材料检测速度快得多。”
该研究为金刚石金属化问题提供了解决方案，即在金刚石表面形成化学计量完美的 NbC 薄膜。通过磁控溅射将铌沉积在金刚石表面，并在真空中退火以在不同温度下形成 NbC。金刚石上的这种薄膜在各个科学技术领域，尤其是单光子探测器方面都有很大的应用前景。
这项研究涉及两个项目。第一个项目是“研究合金元素对纳米结构碳材料电化学特性的影响，以创建有前途的电流源”，旨在获得可用于创建新一代电化学源的结果。第二个项目是“基于二维范德华结构的新一代量子探测器和单光子源”，旨在开发超越传统量子探测设备的量子探测设备。
DOI ：10.1016/j.jallcom.2023.173266
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