本研究的主要作者包括来自亚利桑那州立大学物理系的Cody L. Milne和Arunima K. Singh，以及加州大学河滨分校材料科学与工程项目的Mahesh R. Neupane等人。该研究成果于2025年10月22日在线发表于学术期刊 Materials Today Physics（第59卷，文章编号101887）。

研究背景

该研究属于超宽禁带半导体材料科学领域。立方氮化硼（cBN）因其超宽的禁带宽度（约6.4 eV）、高机械强度、优异的导热性以及高击穿场强（可达6 MV/cm）等卓越性能，成为高功率和高频电子器件领域极具潜力的超宽禁带（UWBG）半导体材料。然而，高质量单晶和薄膜cBN的生长极具挑战性，其中一个主要原因是氮化硼存在六方、立方和纤锌矿等多种晶体相，难以控制。在众多生长衬底中，金刚石因其与cBN仅有约1.5%的微小晶格失配和相似的优异特性，被认为是外延生长cBN的理想衬底。金刚石/cBN异质界面在n型场效应晶体管（FET）和作为金刚石与III-V族半导体集成的中间层等应用中具有巨大潜力。尽管理论和实验研究都在进行，但对于界面原子结构与异质结构电子性质之间的关系仍缺乏基本的理解，尤其对于混合界面的带阶和载流子有效质量等复杂问题尚存研究空白。本研究旨在通过第一性原理计算，系统性地探究界面化学计量比、cBN厚度以及表面终止和钝化对金刚石/cBN异质结构稳定性和电子性质的影响，为设计性能可调的新型器件提供理论框架。

研究流程

研究团队采用密度泛函理论（DFT）方法，使用VASP软件包进行了系统的结构模拟和电子性质计算。研究流程主要包括异质结构建模、结构优化与稳定性分析、电子性质计算与分析三个部分。 首先，他们构建了详尽的金刚石(100)/cBN异质结构模型。模型以13层原子的金刚石(100)作为衬底，其底部悬键用氢原子钝化。cBN覆盖层的厚度被系统性地改变，包含11、19、23、25和31个原子层，每层4个原子。界面化学计量比通过改变界面处第一层cBN中碳原子的混合比例来调控，分别用碳原子替换了0%、25%、50%和75%的氮或硼原子。根据cBN层的终止原子（B或N）和碳混合比例，异质结构被命名为BT(百分比)或NT(百分比)。cBN的表面终止方式也作为变量，考虑了类块体单体构型和更稳定的二聚体构型。总计，研究中考虑了80种不同的异质结构构型。 其次，对所有模型进行结构弛豫和稳定性评估。结构优化中，衬底金刚石的晶格常数被固定以模拟金刚石衬底，离子位置则完全弛豫。通过计算界面形成能和黏附功来评估不同界面构型的热力学稳定性，形成能的计算基于各元素在基态块体中的化学势。 最后，进行了系统的电子性质计算。使用PBE泛函计算了优化后结构的能带，并进一步采用更精确的混合泛函HSE06进行能带结构修正，以解决PBE泛函低估带隙的问题。他们计算了界面能带的带隙、载流子有效质量，并通过分析界面电荷密度和巴德电荷来揭示电荷转移和二维电子气（2DEG）/二维空穴气（2DHG）的形成。此外，利用宏观平均静电势方法精确计算了导带带阶和价带带阶（VBO），以确定异质界面的能带排列类型。

主要研究结果

在结构稳定性方面，研究发现界面化学计量比对形成能有显著影响。在所有厚度和构型中，硼终止的突变界面BT(0%)具有最低的形成能，稳定性最高，其次是BT(25%)和两种电荷中性的混合界面BT(50%)与NT(50%)。而氮终止的突变界面NT(0%)最不稳定，但通过碳混合可以增强其稳定性。这归因于碳-硼键的稳定性远高于碳-氮键，巴德电荷分析表明，当金刚石衬底从cBN层获得电子时，异质结构更稳定。随着cBN层厚度增加，因晶格失配产生的应变累积导致形成能增加。此外，cBN表面形成二聚体重构可显著降低体系形成能，但这不利于后续cBN的继续生长。 在电子性质方面，界面构型深刻影响着能带结构。突变界面NT(0%-25%)和BT(0%-25%)因价带或导带穿越费米能级而呈现金属性，分别表现出n型和p型导电特性。而电荷中性的NT(50%)和BT(50%)混合界面则保留了4.2至4.4 eV的超宽带隙，仍属超宽禁带范畴，且都转变为直接带隙，这有利于光电器件应用。有效质量计算揭示了强烈的各向异性，特别是BT(0%)和BT(25%)界面具有极大的空穴有效质量，而NT界面的电子有效质量与块体材料相似，迁移率更高。 尤为重要的是对界面电荷动力学的研究。在突变界面NT(0%)和BT(0%)处，分别形成了密度高达1.6 × 10^14 cm^−2和4.1 × 10^14 cm^−2的二维电子气（2DEG）和二维空穴气（2DHG），并局限在界面两侧几个原子层内。引入25%的碳混合会导致载流子浓度急剧下降。这种超高浓度的载流子气为实现高性能金刚石场效应晶体管提供了新途径。 在能带对齐方面，研究发现价带带阶（VBO）可在0.25至2.1 eV的宽范围内调控。BT界面普遍表现出第二类能带排列，而NT界面则表现出第一类能带排列。最引人注目的是，两种电荷中性的混合界面BT(50%)和NT(50%)展现出最大的VBO差异（约1.9 eV），实现了从第一类到第二类能带排列的转变。这种可调性源于界面离子偶极子的变化。

研究结论与价值

本研究通过系统的第一性原理计算，为金刚石/cBN异质界面构建了一个全面的设计框架。其科学价值在于，首次详尽地揭示了界面原子构型、电荷转移、能带结构和能带对齐之间的内在关联，填补了对复杂混合界面理解的理论空白，特别是澄清了界面极性与稳定性、导电类型的直接关系。应用价值体现在，该研究为实验上通过调控界面化学计量比来定制实现高性能n型导电层、二维载流子气以及能带工程提供了明确的理论指导，对开发新型金刚石基高功率、高频电子器件和光电器件具有重要意义。

研究亮点

本研究的主要亮点包括：第一，系统地研究了此前未被考虑的BT(25%)、NT(25%)、BT(75%)和NT(75%)等多种混合界面构型。第二，首次提供了金刚石/cBN(100)界面上二维电子气与空穴气浓度和空间分布的定量描述，并揭示了其电荷密度与有效质量的各向异性。第三，发现了通过界面成分调控实现第一类到第二类能带排列转变的关键机制，这种宽达1.9 eV的带阶调谐能力是前所未有的。第四，兼具了体系的广度（80种构型）和深度（HSE06混合泛函精确计算），使得研究结论更为可靠和全面。