激子的概念在100多年前被提出，指的是半導體中電子和空穴形成的復合體。超導也是100年前被發現，表明材料在某個溫度下實現零電阻狀態。傳統的超導機制一般是BCS理論，認為聲子耦合電子庫伯對來形成超導。但BCS理論指出超導轉變溫度一般低于40K，稱為麥克米蘭極限。最近有理論物理學家指出，利用激子來實現石墨烯等碳基材料中的耦合電子庫珀對，從而可能獲得非常規超導。金剛石，由于其具有超寬禁帶、超高擊穿場強、熔點以及熱導率等優良物理性質，也被譽為“終極半導體材料”。作為碳基半導體材料，在金剛石中引入激子來實現非常規超導很值得期待。

       為有效填補單晶金剛石激子超導研究領域的空缺，浙江大學林時勝教授利用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）的方法成功制備出了硼氮共摻雜的塊體單晶金剛石，并成功實現了超導態和金屬態。并利用包括拉曼光譜、XRD、XPS、TEM、SIMS以及ODMR等材料測試表征手段，有效證明硼氮共摻雜金剛石的單晶特性以及體摻雜的均勻性。通過有效調節金剛石生長過程中的壓強、溫度以及氣體摻雜比例等，制備得到的重摻雜金剛石表現出超強導電性，其電阻率最低可達2.07×10-3 Ω·cm，超導轉變溫度為3 K。同時，通過調節金剛石半導體的空穴遷移率，將單晶金剛石超導態轉變為金屬態。

       通過對超導態以及金屬態金剛石樣品進行霍爾測試，初步發現：低溫狀態下表現為金屬態的金剛石樣品其載流子遷移率都明顯低于超導態金剛石樣品。在P型重摻雜單晶金剛石中，樣品具有較高遷移率其體內可以通過激子或聲子形成配對，基于激子介導超導，從而實現向超導態的轉變；如果金剛石遷移率不夠高，空穴無法完全配對，導致向金屬態轉變。

圖1. 重摻雜金剛石的物理特性測量與表征

       此外，將石墨烯轉移至硼氮共摻雜金剛石表面，制備石墨烯/金剛石異質結，將Andreev反射和激子介導的超導相耦合，實現了石墨烯中類似于超導特性的新型電學傳輸行為，這可能揭示金剛石乃至碳基材料更有趣的超導現象。相關工作以“Superconductivity and metallic behavior in heavily doped bulk single crystal diamond and novel transportation behavior at graphene/diamond heterostructure”為題發表于《Advanced Functional Materials》。

圖2. 石墨烯/金剛石異質結低溫電學特性測試

       總之，研究人員通過調整金剛石半導體的遷移率，實現了超導態和金屬態的塊體單晶金剛石。利用石墨烯/金剛石異質結的低溫電學測試，進一步發現了其反常的電學傳輸行為，證實了石墨烯/超導體結中的Andreev反射和激子介導的超導性的共同作用的可能，為實現碳基材料的高溫超導提供新的思路。
       原文：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410876

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