在材料科学的广阔领域中，金刚石以其独特的物理性质被誉为“终极半导体材料”。其超宽禁带、超高击穿场强、高熔点及卓越的热导率，使得金刚石在电子器件、量子计算及高温超导等领域展现出巨大的应用潜力。利用自制的微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）系统，成功制备硼氮共掺杂的块体单晶金刚石半导体，并通过迁移率调控，实现了金刚石的超导态和金属态，为碳基更高温超导的研究开辟了新的路径。
传统超导体的理论基础是BCS理论，该理论认为声子耦合电子库珀对来形成超导，但超导转变温度一般低于40K（约零下233摄氏度），这一限制被称为麦克米兰极限。然而，随着材料科学的不断发展，理论物理学家提出了利用激子（半导体中电子和空穴形成的复合体）来实现石墨烯等碳基材料中的耦合电子库珀对，从而可能获得非常规高温超导体。金刚石作为碳基材料的代表，其超导特性的探索自然成为了科研热点。
通过在金刚石中引入激子，实现其非常规超导态，从而突破传统超导材料的温度限制。这一研究不仅对于理解碳基材料的超导机制具有重要意义，更为量子传感、量子计算芯片等前沿技术的发展提供了坚实的材料基础。
在MPCVD系统中，通过调节生长过程中的压强、温度以及气体掺杂比例等参数，成功制备出了硼氮共掺杂的块体单晶金刚石半导体。硼和氮的共掺杂不仅改变了金刚石的电子结构，还显著提高了其导电性能。通过优化生长工艺，团队获得了具有良好导电性的重掺杂金刚石样品，为后续的超导实验奠定了基础。
为了实现金刚石的超导态，进一步通过调节缓冲层的生长参数，发现具有较高空穴迁移率的样品能够实现超导态。这一发现得益于局域束缚激子通过硼掺杂引起的空穴充分耦合，从而实现了超导态。实验结果显示，该超导金刚石样品的超导转变温度为3K（约零下270度），这一结果部分证实了激子超导机制的可行性。
该研究不仅成功实现了金刚石的超导态，还部分验证了激子超导机制的可行性。这一发现为理解碳基材料的超导机制提供了新的视角，也为未来高温超导材料的研究提供了新的思路。
传统超导材料的温度限制一直是制约其应用的重要因素。该研究为碳基高温超导提供了新路径，有望推动超导材料在量子计算、量子传感等领域的应用。此外，该研究成果还为其他碳基材料如石墨烯的超导研究提供了借鉴。
将石墨烯转移至硼氮共掺杂单晶金刚石表面，制备了石墨烯/金刚石异质结。实验结果显示，在27K（约零下246度）下，石墨烯的电阻开始下降，揭示了金刚石以及石墨烯通向更高温度超导的可行性。这一发现为石墨烯等二维材料的超导研究提供了新的方向。
此外，随着物联网、人工智能、大数据等新兴行业的兴起，对下一代光电与发电器件系统提出了高灵敏度、自驱动、高效率的要求。总之，在硼氮共掺杂单晶金刚石半导体超导研究上的突破，不仅为材料科学领域带来了新的研究热点，也为我国乃至全球的科技进步注入了新的活力。我们有理由相信，在不久的将来，碳基高温超导材料将在量子计算、量子传感等领域展现出更加广阔的应用前景。
化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂、氮掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。
