浙江
金刚石因其5.5 eV的大禁带宽度和高导热性，长期以来被认为是重要的半导体材料之一。尽管多晶金刚石的超导性已被多次报道，但单晶金刚石的超导性仍存有争议，特别是在如此大的禁带半导体中是否存在金属态还尚无定论。
在这项研究中，浙江大学林时胜教授团队通过硼和氮的共掺杂，成功在单晶金刚石中实现了超导性，霍尔载流子浓度超过了3×10²⁰ cm⁻³。此外，他们发现通过调控载流子迁移率，金刚石可以在超导和金属态之间转换。更有趣的是，通过将单层石墨烯与氮和硼重度共掺杂的金刚石集成，研究人员实现了石墨烯的超导性，这一现象可能与安德烈夫反射和激子介导的超导性有关。
/ 金刚石的超导和金属态 /
研究首先探讨了单晶金刚石中的超导性。实验表明，经过硼和氮重度共掺杂的金刚石电阻在3K左右下降至零，表明材料进入了超导状态。通过电阻-温度测试和超导量子干涉设备（SQUID）的抗磁性测量，进一步验证了这一点。SQUID的零场冷却（ZFC）和场冷却（FC）曲线显示，在临界温度（Tc）以下的强磁通钉扎力，表明了超导状态的存在。
研究人员推测，这种超导性是由声子或激子配对引起的，这类似于MgB₂等材料的超导机制，但在高禁带宽度的金刚石中，超导现象显得尤为罕见。通过磁化曲线的滞后现象，研究估算了临界电流密度（Jc）为226 A/cm²。
除了超导性，研究人员还发现了在不同条件下金刚石表现出金属性行为。通过精细调节掺杂水平，材料能够从超导状态转变为金属态。当载流子迁移率降低时，材料的电阻不再下降至零，表现出金属态特征。这一现象的发现具有重大意义，因为此前在体相金刚石中观察到金属性行为一直非常困难。研究表明，在低温下的有限电阻强烈表明在重掺杂金刚石中存在量子金属态。
这种金属态与超导配对的退化有关，这可以通过配对振幅的丧失以及玻色子定位（可能是由氮和硼的掺杂引起的）来描述。
/ 石墨烯/金刚石异质结 /
研究的另一个亮点是石墨烯/金刚石异质结的构建。石墨烯本身并不是超导体，因为其电子-声子相互作用较弱，且在狄拉克点附近电子态密度很低。然而，当将其与重掺杂的金刚石结合时，石墨烯表现出超导性特征。实验中，石墨烯的电阻下降至零，对于这一现象，研究人员认为是石墨烯/金刚石界面处的安德烈夫反射和激子介导的超导性所致。
这一发现表明，通过将石墨烯放置在超导基底上，可以通过邻近效应使石墨烯表现出超导特性。激子（电子-空穴对）在这一过程中可能起到了关键作用。金刚石中的激子结合能大约为80 meV，为在石墨烯层中引发超导性提供了足够的能量屏障。
此外，研究人员还提出，石墨烯/金刚石异质结中的超导性是由激子介导的机制，而非传统的声子介导的机制驱动的。这一点与早期关于金属-半导体结中电子-激子相互作用的研究相一致，激子在这些系统中有助于电子配对。在本研究中，石墨烯的电阻在下降至零之前，出现了负值，这表明激子相互作用可能促进了库珀对的形成，这是超导性的基本构件。
/ 总结 /
总之，本研究为理解重掺杂单晶金刚石的超导和金属态行为提供了重要的见解。通过硼和氮的共掺杂，研究人员成功调控了载流子迁移率和浓度，实现了同一材料中的超导和金属态转换。将石墨烯集成到这一结构中，进一步揭示了石墨烯/金刚石异质结中激子介导的超导性的新可能性。
该研究为基于碳的超导材料的进一步研究铺平了道路，未来的研究可能会深入探讨这些异质结构中的激子作用，特别是它们在新型超导器件中的应用潜力。
以下为文内配图：
图1. 超导重掺杂金刚石的物理性质。
图2. 金刚石的TEM表征。
图3. 超导态和金属态样品在不同磁场下电阻率的温度依赖性。
图4. 石墨烯/金刚石异质结构电导率的低温测量。
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