西安交大王宏兴教授团队在金刚石表面终端研究方面取得重要进展

日期:2021-03-12 08:48:42    |   来源:西安交大电信学部   |   :67

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金刚石具有优异的物理、化学性质,比如大的载流子迁移率、高的热导率、良好的生物兼容性和化学稳定性、表面终端可修饰性等,这使其在生物电子学领域具有巨大应用前景。未来,生物功能化表面与微电子技术的结合将是新科技的发展趋势。


金刚石表面经过修饰可形成稳定的表面终端,如氢终端、氟终端等。刚生长结束的金刚石表面一般呈现氢终端,其表面存在浓度和迁移率分别为1013cm-2和50-200cm2/Vs的二维空穴气层,因此氢终端金刚石可用于制备场效应晶体管。氟终端金刚石虽然表面不能导电,但具有超疏水、化学稳定等性能,被广泛应用于生物医学成像、药物输送、生化传感器和量子模拟器。获得氟终端金刚石的常规方法是利用含氟原子或氟原子基团的等离子体处理金刚石表面,但是该方法很容易对金刚石表面进行刻蚀损伤,导致表面粗糙度增大及表面态增多等诸多问题,严重影响氟终端金刚石在生物电子学领域的应用。因此,急需提出一种不损伤金刚石表面的氟终端金刚石制备方法。


西安交通大学电信学部电子科学与工程学院王宏兴教授团队将离子晶体LiF和氢终端金刚石结合,制备出具有超级电容特性的氢终端金刚石场效应晶体管,并发表在国际权威期刊IEEE Electron Device Letters上,初步建立LiF水解形成锂离子(Li+)和氟离子(F-)并在垂直电场作用下移动的模型。在此基础上,研究团队利用热蒸发技术在氢终端金刚石表面直接沉积一层LiF,在垂直电场作用下使得Li+移动到阴极一侧,F-移动到氢终端金刚石表面的阳极一侧。随着外加垂直电场的增加,在氢终端金刚石表面将发生电化学反应,将F-氧化为氟原子,进一步将C-H键中的氢原子置换出来形成C-F键,反应方程为:2F-+C-H+2h+®C-F+HF。通过电学测试结果及X射线光电子能谱分析验证了该电化学反应过程,最终获得一种不损伤金刚石表面的氟终端金刚石制备技术,为金刚石在生物探测、生物传感及气体传感等领域的应用开拓了新的道路。


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近日,上述研究成果发表在国际权威期刊Carbon上。王艳丰博士作为第一作者,王宏兴教授和王玮副教授为共同通讯作者,西安交通大学为该论文的第一完成单位。该项工作得到国家自然科学基金、博士后科学基金等项目的支持。近五年来,该团队已在金刚石材料生长及相关器件研究领域取得了突出成果,先后在IEEE Electron Device Letters发表4篇, Carbon发表2篇等。