【复材信息】金刚石半导体，以及新的突破性发现！

金刚石被认为是材料科学行业中非常特殊的材料。它不仅以其优异的硬度和光学透明度而闻名，而且越来越受到人们的关注，因为它在电子和量子技术中的潜在应用。最近，一项突破性的研究发现，通过掺硼金刚石，可以诱发一种新的光学现象-间价等离子体。（Intervalence Plasmons，IVPs）。这是金刚石的进一步应用，尤其是在量子信息技术中，提供了一个新的概率。

间价等离子体是什么？

首先，我们需要知道等离子体是什么。等离子体是金属或半导体中通常出现的电子集体震荡现象。因此，当材料中的自由电荷响应外部电场时，电子集体运动会产生特殊的光学反应。这种反应通常表现为材料表面或界面处的电磁波，这就是我们通常所说的表面等离子体。

间价等离子体是一种特殊类型的等离子体，发生在材料的价带内部。一般来说，等离子体的形成需要自由电荷或导电电子，但间价等离子体的形成并不是因为这些自由电荷，而是因为掺硼产生的“孔”(电子缺失的位置)。这些孔促使电子在金刚石差异子带之间过渡，从而产生特殊的集体电子激励现象。

改变金刚石

金刚石是一种宽带间隙半导体，一般没有自由电荷，所以是很好的绝缘材料。但是，通过掺入硼，可以在裸钻中引入“孔”，从而改变其电子结构。硼原子在金刚石晶格中起到接受电子的作用。它们创造了一个空穴带，允许电子从价格带迁移到这个空穴带，形成一个孔。

这种孔的存在为金刚石的电子结构开辟了新的通道，尤其是在高浓度硼的混合下，电子开始在价格带内部越来越多，这将导致价格带的过渡。（IVB）。这种IVB过渡不仅改变了金刚石的电子特性，而且提供了观察等离子体的机会。

为了验证这一理论，研究人员采用了扫描透射电子显微镜-价格电子损失谱和现场红外光谱等多种实验方法。这些技术可以探测到低能量电子的激起，这是间价带过渡造成的。

在实验中，研究人员发现掺硼金刚石表现出明显的间价等离子体反应，而没有掺硼的金刚石则没有这种情况。具体来说，他们在金刚石样品中观察到了一个不可逆的电子激励信号，该信号能量为0.1至0.3。与传统的金属等离子体不同，这个信号不是由自由电荷引起的，而是由价格带中的电子弹跳引起的。

为了深入了解这些实验结论，研究人员还建立了第一原理模型，进一步解释了间价等离子体的形成，通过模拟掺硼金刚石的复杂介电函数。数值与测试数据一致，表明电子越迁确实可以在掺硼金刚石中引起类似等离子体的反应。

通过这种模式，研究人员还发现，掺硼金刚石的介电函数具有明显的金属化特性。这意味着随着掺硼浓度的增加，金刚石的光学和电子特性将变得更加接近金属材料，这也为金刚石在光电子学中的应用提供了新的概率。

间价等离子体的发展前景

间价等离子体的发现不仅为金刚石的基础研究提供了一个新的视角，也为其在高科技应用领域开辟了一个新的世界。金刚石在量子计算和量子通信中的应用潜力是无限的，尤其是在量子缺陷和光子学方面。间价等离子体可能与金刚石中的量子缺陷合作，提高其光学发射性能和量子信息处理能力。

此外，金刚石的导热率极高，能有效排出热量，使其在大功率电子产品中具有更广阔的发展前景。通过调整金刚石中的掺硼浓度，研究人员可能会生产出热导性和等离子体行为优异的材料，支持下一代高效电子设备的设计。

总结

一般来说，掺硼金刚石中间价等离子体现象为我们调节和应用金刚石电子特性提供了一种全新的方法。通过准确控制掺硼浓度，科学家可以调节金刚石的光学和电子行为，使其在未来的量子技术、光电子和高效电子设备中发挥更重要的作用。

这个发现不仅为我们提供了新的材料设计理念，也为金刚石材料在未来的实际应用提供了更多的概率。随着掺硼技术的进一步发展，金刚石在现代技术中的应用范围可能会大大扩大，成为推动多个前沿技术领域进步的关键材料。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55353-0

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