近日，武汉大学集成电路学院张召富教授课题组通过终端改性调控金刚石器件的能带台阶和肖特基势垒研究中获得重要进展，并以“Tuning the band offsets and Schottky barrier heights in diamond devices through termination modulation”为题在《Journal Of Materials Science & Technology》发表，并获评推荐为封面文章。武汉大学集成电路学院冯嘉仁为第一作者，武汉大学集成电路学院张召富教授为通讯作者。
金刚石作为一种超宽禁带半导体，凭借优异的物理、机械和电学特性，成为下一代半导体材料的有力候选。然而，金刚石器件的实际应用长期受限于两大界面挑战：一是金刚石/半导体界面处能带对齐难以控制，二是金属/金刚石界面因高密度表面态和金属诱导隙态导致强费米能级钉扎，阻碍肖特基势垒的调控。表面终端改性可有效调节金刚石的电子亲和能，从而调控其能级位置，为解决上述界面问题提供了直接途径。但目前缺乏对不同终端如何影响电子亲和能及其对界面性质（如能带对齐、肖特基势垒）定量调控机理的系统性理解，亟需建立统一的理论框架来指导高性能金刚石器件的优化设计。因此，本工作基于第一性原理计算，系统研究了金刚石表面终端调控及其对异质结和肖特基界面性质的影响。
研究团队系统研究了终端改性工程对金刚石电子亲和能的调控作用，实现了电子亲和能从-3.95 eV到2.71 eV的宽范围调制。在此基础上，以金刚石/氧化镓及金刚石/金属铂界面为例研究了终端改性对金刚石异质结的作用机制，成功实现了异质结能带台阶从0.58 eV至4.34 eV以及肖特基势垒从-0.78 eV至2.14 eV的宽范围可调。研究发现，（1）终端的表面偶极矩和带隙态共同决定了电子亲和能的变化；（2）由于范德华间隙的存在，异质结能带台阶值与金刚石电子亲和能呈现良好的线性关系；（3）在金半接触中，无表面态终端能够实现费米能级解钉扎。
图1. 不同金刚石表面的电子亲和能。 (a)不同终端的的金刚石(100)表面和(b)金刚石(111)表面的原子弛豫结构。(c) 不同终端的的金刚石(100)表面和(d)金刚石(111)表面的静电势分布，所有终端的价带顶均对齐至0 eV，导带底位于5.5 eV。(e) 通过真空能级与导带底之间的能量差计算得到的不同终端的金刚石表面电子亲和能，实现在-3.95~2.71 eV范围内的调控。
图2. 通过终端改性调控金刚石表面电子亲和能的机理。 (a) H、F、O1和P终端的金刚石(111)表面的差分电荷密度及Bader电荷分布。红色(正值)和蓝色(负值)分别表示得电子和失电子。通过电荷转移和原子间距，可以计算相应的表面总偶极矩强度。(b) 电子亲和能与表面总偶极矩强度的关系。灰色和彩色圆点分别代表有表面态和无表面态的终端。对于无表面态的终端，其电子亲和能与表面总偶极矩呈现较好的线性关系。(c) 金刚石(111)-P终端表面的投影能带，显示由P原子诱导产生的带隙态。(d) 金刚石终端改性对其电子亲和能的调控机理示意图：表面偶极主要移动真空能级，而表面态改变导带底的位置，两者共同决定最终的电子亲和能。
图3. 通过终端调控金刚石异质结能带对齐的机理。 (a) 共价键合的氧化镓(100)/金刚石(100)与(b)范德华键合的氧化镓(100)/金刚石(100)-H的原子弛豫结构。(c) 共价键合界面和(d)范德华键合界面的差分电荷密度，红色和蓝色分别表示电子积累和耗尽。为清晰起见，(d)中的坐标标度为(c)的十分之一。由于范德华间隙的存在，以范德华键合的终端界面的电荷转移非常微小。(e) 氧化镓与金刚石和(f)氧化镓与H-金刚石之间能带对齐的机理示意图。在共价接触时，基于电荷转移，能级在接触后发生移动；而在范德华接触时，能级几乎保持不变。(g) 不同表面和终端下的氧化镓/金刚石界面的能带对齐图。(h) 电子亲和能与相应导带台阶之间的关系，呈现良好的线性。
图4. 金刚石表面终端改性工程对金属-金刚石金半接触的影响。 Pt(111)与(a)无终端金刚石(100)、(b)金刚石(100)-O1和(c)金刚石(100)-H之间的原子弛豫结构；(d-f)对应的投影态密度；(g-i)对应的金属接触示意图，以及计算得到的Pt与不同终端金刚石接触时的p型肖特基势垒高度：(j) 具有表面态的终端、(k) 无表面态的终端。基于对终端金刚石/金属界面接触机制的分析发现，无终端表面的共价键合导致高密度金属诱导间隙态与界面态；无表面态的终端通过范德华间隙有效抑制金属诱导间隙态，实现费米能级解钉扎；而具有表面态的终端会削弱范德华间隙，增强金属诱导间隙态的穿透，加剧费米能级钉扎。进一步定量分析表明，无表面态终端的电子亲和能与肖特基势垒高度呈良好线性关系，钉扎因子S=0.47，显著高于有表面态组（S=0.18），证实无表面态终端能够实现有效的费米能级解钉扎。
团队系统研究了24种不同的金刚石终端，实现电子亲和能在‑3.95~2.71 eV范围内的宽幅调控，并从原子尺度揭示了不同终端修饰对其电子亲和能的影响机理；以氧化镓/金刚石异质结界面为例，通过金刚石终端工程实现了异质结能带台阶从0.58 eV到4.34 eV的动态调控，并系统阐释了终端改性对金刚石/半导体异质结的多重影响机制；通过终端改性在金刚石/金属界面实现了肖特基势垒高度在‑0.78~2.14 eV范围内的动态调谐，识别了金半界面的费米钉扎机制，并通过对表面态的钝化成功实现了费米能级解钉扎。
本工作系统研究了金刚石表面终端工程对电子亲和能、异质结能带台阶及金属接触肖特基势垒的调控作用。通过构建24种不同的金刚石终端结构，实现了宽达6.66 eV的电子亲和能调控，其机制源于表面偶极矩移动真空能级与表面态影响导带底位置。在氧化镓/金刚石异质结中，构建了12种无表面态终端的界面模型，实现了高达3.76 eV的能带台阶调控，其中范德华间隙抑制电荷转移，使导带台阶与电子亲和能呈强线性相关。在金属/金刚石接触中，构建了24种不同终端的金半接触模型，实现了2.92 eV范围的肖特基势垒调制，其中有表面态时金属诱导间隙态增强，导致费米能级强钉扎，无表面态时范德华间隙阻挡金属诱导间隙态，从而实现费米能级解钉扎。上述发现证实终端改性能够有效调控金刚石器件的电子特性，为金刚石器件的设计提供了理论基础。
论文原文：DOI: 10.1016/j.jmst.2026.04.016
