这篇文档属于类型b，是一篇发表在《Chemistry of Materials》2025年第37卷上的Perspective文章，由Xiang Zhang、Mingfei Xu、Zhi Kai Ng、Robert Vajtai、Edwin Hang Tong Teo、Yuji Zhao和Pulickel M. Ajayan共同撰写。文章题为《Diamond: Recent Progress in Synthesis and Its Potential in Electronics》，主要探讨了金刚石在电子学应用中的最新进展及其潜力。
金刚石因其超宽带隙（ultrawide bandgap, UWBG）、高热导率、高载流子迁移率和优异的机械性能，被认为是突破传统半导体材料局限的关键材料。文章指出，金刚石在高电压、高功率、高温及高频电子应用中具有显著优势，尤其是在极端环境下。然而，要实现其全部潜力，仍需克服合成规模化、缺陷控制和先进器件制造等挑战。
文章详细讨论了三种主要的金刚石合成方法：
- 三维扩增法（Three-dimensional enlargement）：通过重复生长循环逐步扩大金刚石晶体的尺寸。例如，Mokuno等人通过24-31次高生长速率循环，在27-37 mm²的种子基底上生长出8.7-10 mm厚的金刚石。
- 马赛克拼接技术（Mosaic tiling technique）：通过将多个金刚石基底紧密排列并外延生长，形成大面积的单晶金刚石。例如，Yamada等人成功制备了40×60 mm²的马赛克金刚石晶圆。
- 异质外延生长（Heteroepitaxial growth）：使用铱（Ir）等基底材料外延生长金刚石。Kim等人通过优化Ir/蓝宝石基底，实现了2英寸自由站立金刚石层的生长。
每种方法均有其优势和挑战，例如三维扩增法需要长时间生长，而马赛克拼接技术则面临边界缺陷问题。
缺陷和位错是影响金刚石电子性能的关键因素。文章介绍了以下控制策略：
- 金属辅助终止法（Metal-assisted termination）：例如钨（W）的掺入可抑制位错传播，将位错密度从2×10⁶ cm⁻²降至3×10⁴ cm⁻²。
- 外延横向过生长（Epitaxial lateral overgrowth, ELO）：通过掩模图案化基底，减少位错密度。Tang等人在Ir/蓝宝石基底上使用金（Au）掩模，将位错密度降至7×10⁷ cm⁻²。
- 基底几何工程（Substrate geometry engineering）：例如金字塔形基底可将位错导向晶体边缘，减少表面缺陷。
金刚石的形态多样化可扩展其应用领域：
- 金刚石复合材料（Diamond composites）：例如金刚石/碳纳米管（CNT）复合材料在热界面材料中表现出优异的导热性能。
- 金刚石泡沫（Diamond foam）：高比表面积的金刚石泡沫在超级电容器和污染物去除中具有潜力。
- 金刚石纤维（Diamond fiber）：柔性金刚石纤维可应用于可穿戴电子和复合材料。
- 金刚石薄膜（Diamond membrane）：超薄金刚石薄膜在量子器件和光学应用中表现突出。
文章重点讨论了金刚石场效应晶体管（FETs）的导电性和稳定性改进：
- p型导电性优化：氢终止金刚石（H-diamond）与六方氮化硼（h-BN）结合，可实现高迁移率（>680 cm² V⁻¹ s⁻¹）和高载流子密度（6.6×10¹² cm⁻²）。
- n型导电性探索：理论研究表明，立方氮化硼（c-BN）/金刚石异质结构可通过自发极化诱导二维电子气（2DEG），但实验实现仍具挑战性。
- 常关操作（Normally-off operation）：通过低功函数金属（如钇Y、钕Nd）或优化介电材料（如h-BN），可实现稳定的常关操作。
文章提出了以下未来研究方向：
- 先进反应器开发：例如915 MHz微波反应器可扩大金刚石生长面积。
- 新型异质外延基底：探索铜（Cu）或碳化硅（SiC）等材料以降低成本。
- 应变工程（Strain engineering）：通过应变调控金刚石的能带结构，提升载流子迁移率。
- 实时缺陷表征技术：开发原位监测技术以优化生长过程。
这篇Perspective文章系统总结了金刚石在合成、缺陷控制和电子器件应用中的最新进展，为下一代高性能电子器件的开发提供了重要参考。文章不仅梳理了现有技术的优缺点，还提出了未来研究的突破方向，对材料科学和半导体工程领域具有重要的指导意义。