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自古以来,人们迷恋于钻石-最宝贵的石头的光芒和美丽,虽然钻石早在公元前4世纪首次在印度被开采,但是就在最近几个世纪以来才成为了一个流行的珠宝宝石。这是因为钻石是超硬材料(钻石一词来自希腊阿达姆斯,意思是,无敌),需要特殊的技术米切割和抛光钻石。除了它的自然的高硬度,钻石还具有特殊材料性能的范围:在高德拜温度的室温下,金刚石具有最高的热导率,它是一种优良的电绝缘体,它对紫外线,可见光和红外辐射是透明的,它具有高折射率,并且具有物理和化学稳定性。此外,钻石具有优良的对光内部反射和折射的特性,这是钻石切割后闪闪发光、光辉灿烂的标志。
一般来说,良好的热的导体,如铜,也是很好的电的导体,因为可自由移动的传导电子可以传导电流和热。令人惊讶的是,金刚石是电的绝缘体,但表现出高的导热性。金刚石具有高的导热性,是因为高德拜温度,即很高的声子频率。据推测,金刚石中的强声频率可以被用来产生超导电性,这就是现在研究金刚石超导电性的起源。我们运用麦克米伦关系式极有可能会寻找到新的超导体,这里λ是一个电子声子相互作用常数,因为这个关系式指出超导转变温度与德拜温度θ是成正比的。显然,我们可以确定出许多高德拜温度的材料。在这些材料中,金刚石以其最高的德拜温度成为了最可能的超导体。然而不幸的是,金刚石中没有能够有助于导电的电荷载体而成为了绝缘体家族中的一员。因此,如何能将过剩的电荷载体纳入到金刚石中呢?
虽然金刚石是一个具有5.5eV带隙的绝缘体,但是当掺杂上杂质如三价硼(B)原子时,金刚石便展现出P型半导体的导电特性。硼原子取代碳的位置,形成-个带有活化能0.37eV的杂质水平,掺杂过程类似于使用硅半导体。包含硼杂质的蓝钻石,是美丽昂贵的,且自然产生p型半导体.当硼浓度超过3×1020cm-3时,低温环境中钻石便会调整进入金属区域并显示出超导电性。
本文首先从掺硼金刚石的制备开始,阐述了金刚石掺硼前后的结构变化及性质改变。然后以超导多晶金刚石薄膜为例,对超导转变温度与掺杂硼浓度的关系给出重点分析,探讨了MPCVD重掺硼金刚石薄膜的超导转变温度高于高压合成的重掺硼金刚石的原因。最后研究了掺硼金刚石的能带结构,从理论上探讨了掺硼金刚石的超导机理。