由于大氣臭氧層對波長小于280 nm的太陽紫外光具有強(qiáng)烈吸收作用，使得地表在該波段的背景輻射信號幾乎為零，因而該波段被稱為“日盲”區(qū)。在此波段工作的紫外光電探測器具有低背景噪聲、高靈敏度和低誤警率等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于火焰監(jiān)測、航空航天、工業(yè)控制和環(huán)境檢測等關(guān)鍵領(lǐng)域。理想的日盲探測器不僅需具備優(yōu)異的光譜選擇性，還必須能夠在高溫等極端環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。然而，現(xiàn)有主流商用的硅基紫外探測器在125?°C以上環(huán)境中性能急劇下降，嚴(yán)重制約了其在高溫場景下的應(yīng)用拓展。相比之下，金剛石因其卓越的熱導(dǎo)率、寬禁帶、高擊穿電場和化學(xué)穩(wěn)定性，被視為極端條件下高性能光電器件的理想材料。但在高溫條件下，金剛石表面易形成具有大量表面態(tài)缺陷的氧終端結(jié)構(gòu)，從而劣化器件在極端環(huán)境下的光電探測性能。

針對上述挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心孫東明課題組和黃楠課題組合作，提出一種內(nèi)嵌鉑納米顆粒的單晶金剛石納米線結(jié)構(gòu)，有效提升了金剛石在高溫環(huán)境中的日盲紫外光電探測性能。該結(jié)構(gòu)融合了一維納米線的優(yōu)異載流子輸運(yùn)能力、鉑納米顆粒的局域表面等離子體共振效應(yīng)、鉑/金剛石界面的局域肖特基勢壘，以及高溫下深能級陷阱誘發(fā)的光電增益機(jī)制，在提升光吸收、載流子產(chǎn)生與分離效率方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，從而大幅提升了氧化終端金剛石在高溫下的光電響應(yīng)能力。相關(guān)研究成果以題為《Single-Crystal Diamond Nanowires Embedded with Platinum Nanoparticles for High-Temperature Solar-Blind Photodetector》（用于高溫日盲光電探測器的內(nèi)嵌鉑納米顆粒的單晶金剛石納米線），于2025年4月16日發(fā)表在權(quán)威期刊《Nano-Micro Letters》上。

在具體研究中，科研人員通過熱氧化處理[001]擇優(yōu)取向的微米/納米金剛石復(fù)合薄膜，再經(jīng)鉑薄膜沉積、退火誘導(dǎo)去濕化及外延同質(zhì)生長等工藝，成功獲得內(nèi)嵌鉑納米顆粒的高結(jié)晶質(zhì)量單晶金剛石納米線（圖1、圖2）。在20 V偏壓和220 nm波長紫外光照條件下，基于該材料構(gòu)建的器件響應(yīng)度達(dá)到68.5 A/W，較傳統(tǒng)氧終端塊體金剛石器件提高約2000倍，紫外/可見光抑制比達(dá)550（圖3）。更為顯著的是，當(dāng)工作溫度提升至275?°C時，器件的220 nm響應(yīng)度躍升至3098.7 A/W，紫外/可見抑制比高達(dá)4303，且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性（圖4）。

該研究首次從金剛石納米線材料設(shè)計層面實(shí)現(xiàn)了金剛石日盲紫外探測器在高溫條件下性能的顯著突破，驗證了內(nèi)嵌金屬納米結(jié)構(gòu)對提高氧終端金剛石光電性能的有效性，為極端環(huán)境下的高性能紫外探測器開發(fā)提供了全新的設(shè)計思路與實(shí)驗依據(jù)。

論文的第一作者為金屬研究所博士研究生盧嘉琪，通訊作者為楊兵項目研究員與孫東明研究員。成會明院士和德國錫根大學(xué)的姜辛教授也對研究工作進(jìn)行了重要指導(dǎo)。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃及遼寧省自然科學(xué)基金等項目的資助。

圖1. 內(nèi)嵌鉑納米顆粒單晶金剛石納米線的制備

圖2. 單晶金剛石納米線微結(jié)構(gòu)表征

圖3. 單晶金剛石納米線光電探測器的室溫日盲紫外光電探測性能

圖4. 單晶金剛石納米線光電探測器的高溫日盲紫外光電探測性能

本文來自“中科院金屬所”。