胡晓君教授：坚持原始创新，也许是攻克一个科研难题的前提

近年来，探索金刚石半导体材料的应用潜力逐步成为世界热点，特别是金刚石单晶大面积制备、掺杂、器件等研究，受到了前所未有的重视，但其中仍存在许多关键性问题尚未解决。

《Carbontech Magazine》编委会特邀浙江工业大学胡晓君教授，就金刚石在光电功能材料应用领域需要攻克的关键难题进行了交流和探讨。胡晓君教授提出，坚持原始创新，也许是攻克一个科研难题的前提。

人物档案

胡晓君

教授、博导、浙江工业大学材料科学与工程学院副院长、浙江省青年科技工作者协会副会长、浙江省材料研究学会理事、浙江省女科技工作者协会理事。浙江 – 俄罗斯金刚石薄膜及功能器件联合研究中心负责人、浙江省量子信息与智能材料国际科技合作基地负责人。长期在金刚石薄膜等低维超硬功能材料、纳米碳材料和计算材料学等方面开展工作，探索金刚石薄膜等材料的掺杂新方法及光电性能，致力于获得新颖的光电器件。主持了国家自然科学基金联合重点项目、国家国际科技合作项目、国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划等科研项目 14 项。在 PNAS, APL，Carbon，Nanoscale 等国内外期刊发表论文 80 余篇；以第一发明人授权发明专利 25 项，其中授权国际专利 1 项。作为大会主席主办金刚石薄膜及其功能器件国际研讨会 4 次，发起首届海峡两岸金刚石薄膜及其功能器件研讨会；担任全国超硬材料专业委员会委员、2016年新金刚石及纳米碳材料国际会议组委会成员、河南省功能金刚石研究中心学术委员会委员、行业杂质《Functional Diamond》、《超硬材料工程》和《金刚石与磨料磨具工程》编委；并且在国内外会议中多次做邀请报告、担任分会场主席。

金刚石在微电子工业应用的两大难题—高质量大尺寸单晶金刚石的制备及ｎ型掺杂

金刚石被誉为“终极半导体材料”，具有宽带隙（5.5 eV）、低介电常数（5.7）、高载流子迁移率，特别是空穴迁移率比单晶 Si、GaAs 高得多、Johnson 指标和 Keyse 指标均高于 Si 和 GaAs 十倍以上以及极高的耐腐蚀性能等优异的性质。相比于 Si 和 GaAs 等半导体材料，利用金刚石制造的新一代电力电子器件具有更小、更快、更可靠和更高效的优势，在高温、高频、高功率以及耐压领域具有极大的应用潜力，在电力电子设备、新能源汽车、5G 基站等系统中具有广泛的应用前景。

但如何才能真正发挥金刚石作为下一代半导体材料的优势，使之转化为产业发展的动力？前提是必须要解决高质量大尺寸单晶金刚石的制备及ｎ型掺杂这两个瓶颈难题。这也是金刚石在微电子工业真正广泛应用的前提。

其中，单晶金刚石大面积制备比较困难，目前并不能像硅片一样做出大片晶圆。另外，金刚石的 n 型掺杂，这是一个世界性难题。多年来，众多研究者从理论计算和实验上寻找有利于获得低电阻率ｎ型金刚石的杂质元素和掺杂方法，都没有获得良好的效果。很大原因在于以前大多数的研究是基于硅单晶掺杂理论，主要的杂质元素有氮、磷、硫、锂等，通过在生长过程中或采用离子注入方法使各种杂质掺入到单晶金刚石或微晶金刚石薄膜中，但掺杂后的薄膜电导率低，电子迁移率低，难以用作电子器件。比如，氮是金刚石中的深能级杂质，室温激活能为 1.7 eV，就很难在室温电离出足够的载流子；磷的能级虽然稍微浅一点，但它在室温的导电载流子的能力也不是很强，磷进入金刚石以后，很容易和空位复合，形成磷 – 空位结，它的电子就不容易被释放出来。迄今为止，还没有找到一个比较合适的施主杂质。从这个角度讲，发展一种新的掺杂理论，是当务之急。

早在 2000 年左右，胡晓君教授团队针对这些技术难题，以纳米金刚石作为研究对象，布局金刚石功能化应用研究，经历 20 多年的研究历程，获得了许多优秀的结果。

选择纳米金刚石薄膜体系为研究对象

纳米金刚石薄膜和金刚石块体材料不一样，它可以实现大面积的生长，原则上 CVD 设备有多大，它就可以长多大。但真正要实现非常均匀的生长，对设备和工艺有非常高的要求。另外，纳米金刚石兼具纳米材料的小尺寸效应，量子效应，甚至是表面效应等等，给掺杂带来不一样的效果。与单晶金刚石相比，其微结构为纳米金刚石晶粒镶嵌在非晶碳基体（也称之为非晶碳晶界）中的复合结构，也就是说纳米金刚石薄膜具有纳米金刚石晶粒（3-5 nm）和非晶碳晶界（尺寸为 1-2 nm），这是一个两相甚至是多相的材料，具有比单晶和微晶金刚石更好的掺杂潜力。

如何解决目前纳米金刚石薄膜掺杂及光电性能研究中存在的科研问题？胡晓君教授团队针对金刚石 n 型掺杂、单个色心调控等关键难题开展了系统深入的研究。

（一）纳米金刚石晶粒内掺杂

胡晓君教授的团队采用离子注入方法，在纳米金刚石薄膜中掺入磷或氧离子，从而实现了金刚石晶粒内的掺杂，这就解决了在 CVD生长过程中，杂质优先占据非晶碳晶界位置，导致晶粒内没有被掺杂到的问题。例如，氮很难在 CVD 过程中掺入金刚石晶格。所以胡晓君教授的团队用离子注入的掺杂方法，把杂质以注入的方式掺杂到晶粒内部去，实现了晶粒内部的掺杂，使纳米金刚石晶粒也获得导电性，从而提高纳米金刚石薄膜的导电性能。离子注入方法是半导体材料常用的掺杂方法，但用于纳米金刚石薄膜的掺杂是由胡晓君教授团队首次开展的。

（二）低真空退火处理实现表面态调控

一般来说，离子注入对金刚石晶格造成的损伤会影响其电学性，需要退火处理。和普通半导体材料制备过程中采用高真空退火不一样的是，胡晓君教授团队对离子注入的纳米金刚石薄膜采用了真空度相对比较低的退火条件。因为金刚石薄膜在生长过程中处于富氢环境，会使得金刚石晶粒表面有一些氢的存在，从而使金刚石呈现 p 型半导体性质，非常不利于得到 N 型半导体。如果退火氛围中存在一些氧，会使氢终止的纳米金刚石转变为氧终止的纳米金刚石，从而起到p 型半导体转变为 n 型半导体的作用。这是第二个手段。

（三）晶界结构调控的原创性，形成了石墨烯纳米带，提高导电率

非晶相的存在对于半导体材料来说，其导电性能都不太好，电子没有办法远程迁移，造成载流子迁移率比较低，因此提高晶界的导电性十分重要。胡晓君教授团队采用低真空退火提高非晶相晶界的有序度，让它接近晶相。这个过程除了把纳米金刚石表面由氢终止转变为氧终止以外，同时把非晶碳晶界里的氢去掉，晶界中存在反式聚乙炔，其链上的氢在高温退火下发生解吸附，使得近邻的反式聚乙炔链上的碳碳键发生键合，形成石墨烯纳米带，为电子的快速迁移提供了通道，从而使得迁移率大大提高。

通过这三个手段，胡晓君教授团队建立了纳米金刚石晶粒内掺杂、氧终止态调控和晶界导电网络构建提升纳米金刚石薄膜 n 型导电性能的协同机制，在实验中得到高质量 N 型纳米金刚石薄膜，迁移率高于 300 cm2/Vs，在近期实验中已经达到 500 cm2/Vs，甚至更高。为下一步 PN 结纳米金刚石基原型器件奠定了良好的基础。

胡晓君教授认为，“纳米金刚石薄膜在半导体器件领域潜力巨大，需要不断坚持往前走下去，可能会有更多新发现。例如可能发展出不同于硅基体系的掺杂理论等。”这也是胡晓君教授团队目前和将来要做的工作，他们的工作将为纳米金刚石薄膜基电子器件的研制奠定重要基础。

金刚石是性能优异的光电功能材料，在单光子光源等领域有重要的应用价值！

近年来，金刚石中的色心缺陷愈发受到关注。具备良好发光性能的色心金刚石具有广泛的应用前景，例如生物荧光标记以及单光子发射源。目前已知的金刚石色心超过 500 种，其中 10 种以上具备发射单光子的能力。氮空位（NV）色心广泛存在于天然金刚石及爆炸法制备的合成金刚石中。带负电荷的氮空位色心常温下在 638 nm 处存在光致发光，其发光寿命为 11-25 ns。但是，氮空位色心的光致发光谱中有较大的边带，导致其发光效率低下，仅有 4% 的光子集中在其零声子线上。与之相对的，硅空位（SiV）色心的发光峰位于737 nm，发光非常稳定，70% 的荧光集中于尖锐的零声子线，发光峰宽很窄可以低至 0.5 nm，并且其寿命极短，约 1 ns，是极具潜力的可在室温下工作的单光子光源，对于量子通信系统的构建和应用具有重要意义。但是，单个色心硅空位纳米金刚石的制备十分困难。目前，国际上只在陨石中发现过 2 nm 金刚石结构中存在单个色心。胡晓君教授团队通过对纳米金刚石尺寸和表面态的协同调控，人工合成了尺寸为 2-4 纳米的金刚石；并与中国科技大学研究人员合作，测试证明了这些超小尺寸纳米金刚石中含有少于 3 个色心，这项工作获得国际专利授权，也得到郭光灿院士的高度评价与认可。胡晓君教授团队还阐明了氧终止态对于提高金刚石色心发光性能的机理，发展出了氧化处理提升色心发光强度的普适性方法，该方法得到国内外同行的广泛应用。

针对金刚石在光电器件方面的应用前景，胡晓君教授认为目前主要有 3 个方向的应用：（1）做出 PN 结用到半导体器件中，这是最广泛的应用。（2）用在拉曼激光器、日盲探测器等领域，离产业化实现稍微要近一点，但应用广泛度不如半导体器件。（3）金刚石色心的应用研究。一方面，利用金刚石色心作为量子信息系统里的单光子源，这是一个非常有价值且重要的研究课题，是在国外引起高度重视的领域，如美国曾在某年一个重要研究计划设立了两项关于金刚石色心的研究项目。另一方面，利用金刚石色心的磁效应，可以用来作为温度传感器等，非常灵敏，但是我国研究的并不多。同时，金刚石色心还可以在生物材料里作为荧光标记来使用，以及在生物医药可以将靶向药物送到指定的地方。

企业孵化基础研究成果是一个漫长的磨合过程，需要企业有大格局

当然，产学研合作也是金刚石功能化应用推广的一个必经之路与重要手段！胡晓君教授认为“一项基础性成果转化成产品，这中间有很长的路要走，需要很多的研究，还有磨合！企业来转化基础研究的成果，首先需要有足够强的资金实力以及研发实力，还需要有相当大的格局。创建初始，所产生的经济效益不会立竿见影，这对企业来说并不是件易事，需要做好长期‘战斗’的思想准备。”

例如，2014 年，日本名古屋大学和名城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美国加利福尼亚大学教授中村修二因在全球首次成功研发出高效的蓝色发光二极管（LED）共同获得诺贝尔物理学奖。这个发明是革命性的，白炽灯照亮了 20 世纪，21 世纪将由 LED 灯照亮。但最初 LED 在 20 世纪 60 年代只能研发出红色和绿色，光学三原色中的蓝色因材料结晶制作困难，一度被认为“难以在 20 世纪内实现”。这一研究使用的就是全球研究者已放弃的氮化镓制成结晶。成功研发出蓝色 LED，乃至包括白色在内所有颜色的 LED，这整个漫长过程都是在企业完成。从研究初期到宣布重要成果，多年来企业从未获得过经济回报，但依然无条件的资助，这是需要企业具有相当大的格局的。当然这种信任与科研氛围也需要慢慢培养，尤其是在产学研合作的过程中，难免会有看法不一致的时候，这中间需要长时间的磨合，长长的路，我们要慢慢的走。慢培养，尤其是在产学研合作的过程中，难免会有看法不一致的时候，这中间需要长的时间的磨合，长长的路，我们要慢慢的走。

科研工作者的核心就是要创新！这个过程是充满困难的！

“科研是国际的，必须要把自己的研究放到国际舞台上！”胡晓君教授在科研过程中不断地执行这一理念。目前，不管是 CVD 制备，还是高温高压制备金刚石，我国金刚石的产量在国际上是很大的，但如何实现金刚石的功能化应用，还是比较欠缺的，这也是我国金刚石行业目前和国际上的主要差异。

胡晓君教授认为，“首先是要树立创新的意识。我们要相信自己可以并且一定能够创新，而不是跟风。”这个意识对于科研人员来说，非常重要！而在现实科研过程中，“小用”自己的“聪明才智”,不敢标新立异，不去尝试新的工作是很常见的。所以说，树立创新意识在科研领域至关重要，但这确实很难！

以胡晓君教授的亲身经历举例子，一个新现象和新结果的认可，总是有重重障碍的，最直接的表现在论文发表等方面，这也是一些科技工作者为什么不愿意去做真正创新研究的原因。因为它的难度实在很大，最初很难得到大家的认可。但这也是科学发展的规律，新的事物从发现到普遍认可是需要时间的，比如准晶的发现，准晶是五次对称的，但以往被大家熟知的只有 0、1、2、3、4、6 对称，没有五次，这一成果被冷落多年。后来随着人们认识的逐渐增强，这便是一个大成果，所以准晶的发现拿诺贝尔奖是必然的。开辟任何科研创新道路，都像在荒野中独自前行，不放弃这项研究，不被时髦的主题所“愚弄”，这需要克服极大的障碍。

“科研难题的解决过程就像攻占一个山头，第一批人牺牲了成为炮灰，然后还得有第二批、第三批……，最前面的可能都牺牲了，但是通过越来越多人不断的坚持上去，最终会把山头拿下来。同样，对于一个新研究成果的首次出现，不被大家认可是正常的，可能发表的期刊也不是很好，但通过坚持，不断优化实验结果，以数据说话，总会得到行业的认可；最后逐步实现产业化，真正实际应用起来。”胡晓君教授补充道，“科研人员如果要突破障碍，将科研难题的山头牢牢地攻占下来，取得创新性成果，首先要树立创新意识；第二要有勇气；第三，要有创新的能力，将科研工作做的足够深，足够多。这个过程最开始肯定是非常艰难辛苦的，但也许这是一条创新的能够解决科研难题的途径！”

一般来说，从石墨转变为金刚石需要高温高压条件，但根据胡晓君教授团队最新的研究来看，在低压下也可以转变，这是超过大多数人的认知的，但事实就是这样。通过多次实验，理论计算，不停地展示成果……，直到被认可，这个过程是十分艰难的，胡晓君教授一直严格要求团队，他们正在走的就是这样的一条创新的路！

科研工作者的核心就是要创新，但其中的艰难可想而知。枪打出头鸟，这也是我们的文化所决定的，我们都很害怕当那只出头鸟，如果放开思想的束缚，你当那一只鸟又怎样呢？枪把你打了又能怎样？或许这是你获得第一桶金的机会。作为一名科研工作者，走一条没有人走的路，下定决心不放弃这项创新研究，即使孤身一人，遇到很多坎坷，坚持下来最后光明总会在的。如果总是跟着别人的脚步，短时间来看是安全地，稳妥的，也许也会有不错的结果，但到人生的最后时刻，回首一生问一问自己，你是一名合格的科研工作者吗？你有没有达到心中的要求？这也是对每一位科研工作者的灵魂拷问！如果放开思想的束缚，你当那一只鸟又怎样呢？枪把你打了又能怎样？作为一名科研工作者，走在一条没有人走的路，下定决心不放弃这项创新研究，即使孤身一人，遇到很多坎坷，坚持下来最后光明总会在的。如果总是跟着别人的脚步，短时间来看是安全地，稳妥的，也许也会有不错的结果，但到人生的最后时刻，回首一生问一问自己，你是一名合格的科研工作者吗？你有没有达到心中的要求？这也是对每一位科研工作者的灵魂拷问！

科研人员究竟是为了什么做科研？

“科研方向的选择固然重要，但做好基础研究与产业化应用两个方向之间并不矛盾，因为这两件事情可能并不一定需要一个人来做。”也就是说，术业有专攻，一项研究到产品应用，每一步都有很多的问题需要解决，不同的阶段要形成梯队式的人才和技术储备，才有可能最终解决这样一个问题。这实际上是有好几个鸿沟需要跨越的。

另外，科学研究中的冷门与热门，实际上是一个相对的概念。简单的说，冷门研究，做的人少，但是这个冷门领域里恰好有一个非常重要且有价值的问题，你如果对它有兴趣，就相当于捡到一个宝，因为没有其他人的竞争。一旦取得成果，就会是一个领域的突破，这就是冷门课题的优势。而热门课题的优势，在于研究者众多，能够汇聚各种各样的思路，也更容易获得启发，尤其是新方向还没被研究透彻，那么你去研究后也容易有成果。当然它的缺点显而易见，你的特色和创新很难被体现，容易被淹没在众多研究成果中。具体来说，你的文章影响因子也许会比较高，被引用量也多，但是该领域的其他研究者也会发高水平的文章，你的优势就难以体现。不过也有例外，比如在某些特定评审时，你可能是占优势的。所以，这是一个很辩证的问题。当然如果有一个很大的团队时，让部分人来做热门课题，发表一些高影响因子的成果，同时让另一部分人来研究冷门但是更有价值的课题，这可能是一个比较完美的搭配。当两者无法兼顾时，作为一名科研人员，关键在于你自己如何选择？拷问自己到底是为什么选择做科研？做科研追求的是什么？什么对你最重要？当然，每个人都会因为自己的价值观、认同感的不同而有不同的答案，所以不必强求。但这个选择对每个科研工作者都很重要，要慎重选择，要考虑现在，也要考虑未来，不让自己留遗憾！

培养学生实际上也是一项科学研究！

“如何把材料科学里晦涩难懂的理论让学生更好的理解，把知识变得鲜活，让他们喜欢上材料这门学科，这也是很重要的研究，和科研里研究问题是一样的，只是研究的对象不一样。”

一名研究生，三年时间，说长不长，说短不短，如何利用好，提高教学质量是关键所在，让他从一开始的新人到毕业后成长为有能力的人。胡晓君教授认为，保持和学生之间的互动十分重要！从选题到做实验、写论文，最后毕业答辩，整个期间都要保持和学生之间的紧密联系，包括做什么样的题目，设计什么样的实验方案，这需要一个个充分讨论，尤其是在一些关键环节，比如开题报告，毕业答辩，甚至每周的实验结果汇报。胡晓君教授希望通过调查、分析，提出问题，拿出解决方案，最后将其解决的过程，可以帮学生们形成创新思维，培养他们解决问题的能力。这种能力对人生来说是很重要的，可以帮助我们完成任何任务。另外，培养学生表达能力也是非常重要的。口头表达能力可以通过开题报告、答辩、每周汇报等来进行训练；而书面表达能力，就是通过论文写作、报告撰写等环节来进行培养的。

所以，教学和科研是在同一个轨道上的，科研实际上是一个载体，这个载体就是用来培养学生的。