金属所杨兵&孙东明等：单晶金刚石纳米线内嵌纳米颗粒实现高温日盲紫外光电探测

启明会议 

9月25-26日，“2025先进封装及热管理大会”将于江苏苏州召开。本次大会聚焦高算力热管理挑战，设置先进封装与异质异构论坛、高算力热管理创新论坛、液冷技术与市场应用论坛三大板块。

将汇集来自产业界和学术界的专家和领导者，围绕chiplet、2.5D/3D等先进封装技术、以及热界面材料、碳基（金刚石）热管理、液冷技术等先进封装、热管理技术及相关新材料等热点话题展开深入探讨，以促进上下游之间的深度对话与合作。大会旨在搭建产学研平台，推动技术融合，为半导体供应链提供创新动能。

针对上述挑战，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心孙东明课题组和黄楠课题组合作，提出一种内嵌铂纳米颗粒的单晶金刚石纳米线结构，有效提升了金刚石在高温环境中的日盲紫外光电探测性能。该结构融合了一维纳米线的优异载流子输运能力、铂纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应、铂/金刚石界面的局域肖特基势垒，以及高温下深能级陷阱诱发的光电增益机制，在提升光吸收、载流子产生与分离效率方面展现出显著优势，从而大幅提升了氧化终端金刚石在高温下的光电响应能力。相关研究成果以题为《Single-Crystal Diamond Nanowires Embedded with Platinum Nanoparticles for High-Temperature Solar-Blind Photodetector》（用于高温日盲光电探测器的内嵌铂纳米颗粒的单晶金刚石纳米线），于2025年4月16日发表在权威期刊《Nano-Micro Letters》上。

在具体研究中，科研人员通过热氧化处理[001]择优取向的微米/纳米金刚石复合薄膜，再经铂薄膜沉积、退火诱导去湿化及外延同质生长等工艺，成功获得内嵌铂纳米颗粒的高结晶质量单晶金刚石纳米线（图1、图2）。在20 V偏压和220 nm波长紫外光照条件下，基于该材料构建的器件响应度达到68.5 A/W，较传统氧终端块体金刚石器件提高约2000倍，紫外/可见光抑制比达550（图3）。更为显著的是，当工作温度提升至275 °C时，器件的220 nm响应度跃升至3098.7 A/W，紫外/可见抑制比高达4303，且表现出良好的稳定性和可重复性（图4）。

该研究首次从金刚石纳米线材料设计层面实现了金刚石日盲紫外探测器在高温条件下性能的显著突破，验证了内嵌金属纳米结构对提高氧终端金刚石光电性能的有效性，为极端环境下的高性能紫外探测器开发提供了全新的设计思路与实验依据。

论文的第一作者为金属研究所博士研究生卢嘉琪，通讯作者为杨兵项目研究员与孙东明研究员。成会明院士和德国锡根大学的姜辛教授也对研究工作进行了重要指导。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划及辽宁省自然科学基金等项目的资助。

图1. 内嵌铂纳米颗粒单晶金刚石纳米线的制备

图2. 单晶金刚石纳米线微结构表征

图3. 单晶金刚石纳米线光电探测器的室温日盲紫外光电探测性能

图4. 单晶金刚石纳米线光电探测器的高温日盲紫外光电探测性能

作者介绍

杨兵

本文通讯作者

中国科学院金属研究所 项目研究员

▍主要研究领域

金刚石制备、金刚石光学和光电传感。

▍主要研究成果

中国科学院金属研究所项目研究员。近年来开展高质量金刚石的可控制备、金刚石色心发光调控及金刚石光电传感研究，致力于推动金刚石材料在光电传感、量子信息等领域的应用。目前以第一作者和通讯作者在Nano-Micro Lett.，Carbon，Adv. Opt. Mater.等学术刊物发表论文近30篇，获得已授权专利9项，作为项目负责人主持了国家自然科学基金3项。

孙东明

本文通讯作者

中国科学院金属研究所 研究员

▍主要研究领域

碳基电子器件、低维材料半导体器件、柔性电子器件。

▍主要研究成果

中国科学院金属研究所研究员、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者、国家海外高层次引进人才入选者、国家优秀青年科学基金获得者，中国科协第十届全委，辽宁省科协第九届常委，第十三/十四届全国人大代表。长期从事新型半导体器件与材料研究，并推动科技成果转化与产业应用。近年来以第一作者和通讯作者在Nature，Science，Nature Nanotechnol.，Nature Mater.，Nature Commun.，Adv. Mater.，Nano-Micro Lett.等期刊发表学术论文80余篇。