Information dynamics of industry
——摘選自Carbontech《打破近30年記錄!哈工大金剛石半導體器件重大突破》
近日,哈工大紅外薄膜與晶體團隊創新提出過渡金屬(TMs)金屬化方法,首次在絕緣的氧終端本征金剛石(OTD)表面制備出了有效歐姆接觸,10-8?Ωcm2級別極低比接觸電阻打破了金剛石器件領域近三十年的記錄。通過對界面結構的微觀表征,發現TMs擴散進金剛石中產生的淺層晶格損傷是形成歐姆接觸的關鍵原因,改變了界面過渡金屬碳化物(TMC)的生成是金剛石歐姆接觸的成因這一傳統認知。從而擴展了在金剛石上制備穩定低阻歐姆接觸的方法與理論,有望推動金剛石基高頻高功率電子器件與高性能光電器件產業的發展。
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權威之聲
中國儲能網訊:近期,碳酸鋰社會庫存持續去化。據SMM數據,截至9月27日當周,碳酸鋰周度庫存為12.46萬噸,環比減少2095噸。其中,上游去庫5035噸,下游和其他環節累庫2939噸。值得關注的是,這已是碳酸鋰連續5周呈現去庫態勢。
市場人士認為,碳酸鋰庫存持續去化并不意味著碳酸鋰基本面拐點已經到來。
對于9月碳酸鋰庫存持續下降的原因,中信建投期貨分析師張維鑫解釋稱,一方面是因為碳酸鋰的低價對生產端的制約已有所體現,另一方面則是隨著旺季來臨,碳酸鋰需求端環比有較大增長。供減需增的背景下,碳酸鋰庫存連續下降。
“9月以來,碳酸鋰市場供需因素出現了明顯變化,尤其是供應方面,礦端連續出現減停產消息,同時連續數月國內鋰礦進口和碳酸鋰進口環比明顯下降,低價顯然影響到礦山的生產和發貨意愿。需求方面,汽車和電池環節價格戰引發的觀望心態逐步消退,而低價帶來的三大效應(出口擴張、加速替代和收入效應)在增強。7月以來,新能源汽車銷售增速好于年初預期與上半年的增速。”國投安信期貨分析師吳江也解釋稱,盡管環比來看供需出現了明顯逆轉,但是9月的平衡表呈現階段性的緊平衡,月均有3000噸左右的需求短缺,因此呈現去庫態勢。
??談及去庫情況,多位業內人士告訴期貨日報記者,此輪去庫對基本面的邊際改善相對有限。
??“這種去庫屬于特定情況下的表現,更多屬于供給和需求在節奏上的錯配。”張維鑫認為,隨著“金九銀十”結束,環比需求預計會有較大回落,其中包括訂單增長放緩、中間環節去庫等因素,會帶來上游材料需求減少。從供給端來看,隨著碳酸鋰價格來到一個相對均衡的位置,并維持較窄幅波動,生產端預計會有所恢復,去庫狀態繼續維持的時間并不會太長久。一方面,未來一段時間內,仍有鋰資源投產并爬坡,供給端大概率繼續保持增長趨勢,需求端增長則放緩。因此,在強現實與弱預期的矛盾下,供需關系雖有短期改善,但中長期仍不容樂觀。另一方面,當下大背景仍然是供大于求,若價格出現明顯反彈,解除了對供給的限制,產能出清無法實現,供大于求的局面會更加嚴峻,反過來會對價格形成壓制。
??“連續5周維持去庫態勢,反映出碳酸鋰的基本面階段性轉好,但實際邊際改善力度相對有限。”國信期貨分析師顧馮達也認為,從中長期視角來看,供應端目前尚未見到規模化的減停產,同時鋰鹽新項目計劃投產增量仍較為顯著,供大于求預計仍然是中長期主基調。
??從終端需求來看,在全球新能源汽車銷量增速放緩的背景下,中國市場依舊展現出強勁的增長勢頭,新能源汽車在旺季的表現成為碳酸鋰需求環比增長的重要支撐點。據乘聯會數據,9月中國大陸乘用車零售銷量預計將達到210萬輛,同比增長4.0%。其中,新能源乘用車(NEV)的銷量預計將達到110萬輛,同比增長47.3%。9月份,新能源汽車銷量預計將占中國大陸乘用車銷量的52.4%。
??有行業人士表示,近期政策端的多項利好信號進一步提振了市場信心,如新能源車購置補貼政策的延續、新能源車下鄉活動等,均有望激發市場活力。隨著充電基礎設施不斷完善和環保政策持續推進,中國新能源汽車的市場滲透率將進一步提升,市場規模也有望繼續擴大,為全球新能源汽車產業注入更多動力。
??“當下,隨著政策發力,股票市場顯著回暖,地產市場亦有企穩跡象,居民資產負債表修復,汽車消費有望得到提振。”張維鑫認為,從這個角度來看,今年新能源汽車“金九銀十”的銷售表現及四季度銷量可以適度上調,進而會增加碳酸鋰需求,這是政策從基本面對碳酸鋰價格產生支撐的路徑。最終的改善幅度還要關注政策后續落地情況。
??吳江也認為,盡管當前處于消費旺季,疊加以舊換新和促進消費措施的加持,在國慶假期前后,新能源汽車消費或能有效帶動碳酸鋰需求階段性改善,但后市需要關注政策向更廣泛領域的落地狀態,包括全球范圍內可能的再通脹傾向。
??展望后市,當前碳酸鋰價格是否已經迎來拐點,市場存在較大分歧。方正中期期貨分析師魏朝明認為,當前,碳酸鋰需求超預期向好,新能源汽車需求向好也帶動中間環節庫存去化,加之當前宏觀情緒向好,或與短周期供需面改善形成共振,后市有望看高一線。顧馮達也認為,雖供過于求的基本面格局尚未得到有效改善,但政策利好支撐商品板塊整體上行,碳酸鋰或將步入階段性寬幅震蕩區間,后續需重點關注供應端情況及客供比例的改變。張維鑫則認為,盡管碳酸鋰短期內確實有一些利好,但價格反彈高度不宜過度樂觀,10月份大概率會是基本面拐點,同時也有可能成為下一輪下跌的起點。
出現了明顯逆轉,但是9月的平衡表呈現階段性的緊平衡,月均有3000噸左右的需求短缺,因此呈現去庫態勢。
談及去庫情況,多位業內人士告訴期貨日報記者,此輪去庫對基本面的邊際改善相對有限。
“這種去庫屬于特定情況下的表現,更多屬于供給和需求在節奏上的錯配。”張維鑫認為,隨著“金九銀十”結束,環比需求預計會有較大回落,其中包括訂單增長放緩、中間環節去庫等因素,會帶來上游材料需求減少。從供給端來看,隨著碳酸鋰價格來到一個相對均衡的位置,并維持較窄幅波動,生產端預計會有所恢復,去庫狀態繼續維持的時間并不會太長久。一方面,未來一段時間內,仍有鋰資源投產并爬坡,供給端大概率繼續保持增長趨勢,需求端增長則放緩。因此,在強現實與弱預期的矛盾下,供需關系雖有短期改善,但中長期仍不容樂觀。另一方面,當下大背景仍然是供大于求,若價格出現明顯反彈,解除了對供給的限制,產能出清無法實現,供大于求的局面會更加嚴峻,反過來會對價格形成壓制。
??“連續5周維持去庫態勢,反映出碳酸鋰的基本面階段性轉好,但實際邊際改善力度相對有限。”國信期貨分析師顧馮達也認為,從中長期視角來看,供應端目前尚未見到規模化的減停產,同時鋰鹽新項目計劃投產增量仍較為顯著,供大于求預計仍然是中長期主基調。
??從終端需求來看,在全球新能源汽車銷量增速放緩的背景下,中國市場依舊展現出強勁的增長勢頭,新能源汽車在旺季的表現成為碳酸鋰需求環比增長的重要支撐點。據乘聯會數據,9月中國大陸乘用車零售銷量預計將達到210萬輛,同比增長4.0%。其中,新能源乘用車(NEV)的銷量預計將達到110萬輛,同比增長47.3%。9月份,新能源汽車銷量預計將占中國大陸乘用車銷量的52.4%。
??有行業人士表示,近期政策端的多項利好信號進一步提振了市場信心,如新能源車購置補貼政策的延續、新能源車下鄉活動等,均有望激發市場活力。隨著充電基礎設施不斷完善和環保政策持續推進,中國新能源汽車的市場滲透率將進一步提升,市場規模也有望繼續擴大,為全球新能源汽車產業注入更多動力。
??“當下,隨著政策發力,股票市場顯著回暖,地產市場亦有企穩跡象,居民資產負債表修復,汽車消費有望得到提振。”張維鑫認為,從這個角度來看,今年新能源汽車“金九銀十”的銷售表現及四季度銷量可以適度上調,進而會增加碳酸鋰需求,這是政策從基本面對碳酸鋰價格產生支撐的路徑。最終的改善幅度還要關注政策后續落地情況。
??吳江也認為,盡管當前處于消費旺季,疊加以舊換新和促進消費措施的加持,在國慶假期前后,新能源汽車消費或能有效帶動碳酸鋰需求階段性改善,但后市需要關注政策向更廣泛領域的落地狀態,包括全球范圍內可能的再通脹傾向。
??展望后市,當前碳酸鋰價格是否已經迎來拐點,市場存在較大分歧。方正中期期貨分析師魏朝明認為,當前,碳酸鋰需求超預期向好,新能源汽車需求向好也帶動中間環節庫存去化,加之當前宏觀情緒向好,或與短周期供需面改善形成共振,后市有望看高一線。顧馮達也認為,雖供過于求的基本面格局尚未得到有效改善,但政策利好支撐商品板塊整體上行,碳酸鋰或將步入階段性寬幅震蕩區間,后續需重點關注供應端情況及客供比例的改變。張維鑫則認為,盡管碳酸鋰短期內確實有一些利好,但價格反彈高度不宜過度樂觀,10月份大概率會是基本面拐點,同時也有可能成為下一輪下跌的起點。
“連續5周維持去庫態勢,反映出碳酸鋰的基本面階段性轉好,但實際邊際改善力度相對有限。”國信期貨分析師顧馮達也認為,從中長期視角來看,供應端目前尚未見到規模化的減停產,同時鋰鹽新項目計劃投產增量仍較為顯著,供大于求預計仍然是中長期主基調。
從終端需求來看,在全球新能源汽車銷量增速放緩的背景下,中國市場依舊展現出強勁的增長勢頭,新能源汽車在旺季的表現成為碳酸鋰需求環比增長的重要支撐點。據乘聯會數據,9月中國大陸乘用車零售銷量預計將達到210萬輛,同比增長4.0%。其中,新能源乘用車(NEV)的銷量預計將達到110萬輛,同比增長47.3%。9月份,新能源汽車銷量預計將占中國大陸乘用車銷量的52.4%。
有行業人士表示,近期政策端的多項利好信號進一步提振了市場信心,如新能源車購置補貼政策的延續、新能源車下鄉活動等,均有望激發市場活力。隨著充電基礎設施不斷完善和環保政策持續推進,中國新能源汽車的市場滲透率將進一步提升,市場規模也有望繼續擴大,為全球新能源汽車產業注入更多動力。
“當下,隨著政策發力,股票市場顯著回暖,地產市場亦有企穩跡象,居民資產負債表修復,汽車消費有望得到提振。”張維鑫認為,從這個角度來看,今年新能源汽車“金九銀十”的銷售表現及四季度銷量可以適度上調,進而會增加碳酸鋰需求,這是政策從基本面對碳酸鋰價格產生支撐的路徑。最終的改善幅度還要關注政策后續落地情況。
吳江也認為,盡管當前處于消費旺季,疊加以舊換新和促進消費措施的加持,在國慶假期前后,新能源汽車消費或能有效帶動碳酸鋰需求階段性改善,但后市需要關注政策向更廣泛領域的落地狀態,包括全球范圍內可能的再通脹傾向。
展望后市,當前碳酸鋰價格是否已經迎來拐點,市場存在較大分歧。方正中期期貨分析師魏朝明認為,當前,碳酸鋰需求超預期向好,新能源汽車需求向好也帶動中間環節庫存去化,加之當前宏觀情緒向好,或與短周期供需面改善形成共振,后市有望看高一線。顧馮達也認為,雖供過于求的基本面格局尚未得到有效改善,但政策利好支撐商品板塊整體上行,碳酸鋰或將步入階段性寬幅震蕩區間,后續需重點關注供應端情況及客供比例的改變。張維鑫則認為,盡管碳酸鋰短期內確實有一些利好,但價格反彈高度不宜過度樂觀,10月份大概率會是基本面拐點,同時也有可能成為下一輪下跌的起點。
宏觀政策
9月30日,河北省人民政府辦公廳印發《高速公路服務區品質提升三年行動方案(2024-2026年)》(以下簡稱《方案》)的通知。
《方案》提到,強化規劃用地保障。對服務區利用存量房產、土地資源,進行物流倉儲、光伏發電等國家支持產業設施開發的,可依法依規享受在5年內不改變用地主體和規劃條件的過渡期支持政策。過渡期滿及涉及轉讓需辦理改變用地主體和規劃條件的手續時,除符合《劃撥用地目錄》的可保留劃撥方式外,其余經批準可以協議方式辦理供地手續。協議出讓最低價不低于新增建設用地的土地有償使用費、征地(拆遷)補償費用以及按照國家規定應當繳納的有關稅費之和;有基準地價的地方,協議出讓最低價不得低于出讓地塊所在級別基準地價的70%。
支持能源項目建設。支持服務區屋頂光伏項目集中打捆備案,在無可開放容量地方,通過配置儲能、承諾優先參與電網調峰可不受開放容量限制。電網企業優化辦電流程,與服務區布局規劃銜接,統籌規劃建設充電、儲能、光伏設施。服務區分散式風電、分布式光伏項目,根據周邊電網實際情況,就近接入電網。
原文鏈接:河北省人民政府辦公廳關于印發高速公路服務區品質提升三年行動方案
行業聚焦
新一代光伏技術取得突破
針對鈣鈦礦太陽能電池高溫工作條件下運行穩定性差這一領域難題,南開大學化學學院袁明鑒教授帶領課題組開展高水平國際合作研究,成功制備出兼具高能量轉換效率與高運行穩定性的鈣鈦礦太陽能電池器件,標志著新一代光伏技術取得重大突破。
9月30日晚,《自然》雜志以“兼具高效熱穩定性的甲脒銫組分鈣鈦礦太陽能電池”為題,發表了這項研究成果。
鈣鈦礦是一類具有獨特晶體結構的材料,廣泛應用于新型太陽能電池等半導體器件。鈣鈦礦太陽能電池作為第三代光伏技術,其獨特的柔性兼容性與大面積制備潛力,為光伏、物聯網、新能源汽車乃至航天航空等領域帶來前所未有的機遇。可這種新型太陽能電池的穩定性一直是限制其大規模商業應用的關鍵因素。鈣鈦礦材料作為電池的吸光層,其穩定性受外界環境因素影響顯著。目前,高性能鈣鈦礦太陽能電池在制備過程中往往需要依賴易揮發的有機胺鹽添加劑來穩定物相并調控結晶。然而,這種添加劑在高溫條件下極易分解,引發鈣鈦礦薄膜化學組分失衡,進而顯著降低電池在高溫工況下的運行穩定性。
針對這一難題,袁明鑒帶領研究團隊結合理論預測,發展了一種具有更高熱穩定性的合金鈣鈦礦制備策略,該策略徹底解決甲脒銫組分鈣鈦礦薄膜組分不均一的問題。利用該策略制備的鈣鈦礦太陽能電池器件,展現出世界一流的能量轉換效率與高溫工況穩定性。
研究團隊協同探究材料關鍵難題。(受訪者提供)
“此項研究不僅為鈣鈦礦太陽能電池的穩定性提升奠定了堅實的技術基礎,也為光伏技術的進一步實用化和商業化開辟了廣闊前景,對推動全球能源結構的綠色轉型具有深遠意義。”袁明鑒說。
袁明鑒表示,目前研究團隊正通過校企合作,積極推進符合產業化需求的高性能鈣鈦礦太陽能電池模組的研發,力求盡快推動研究成果的實際應用與產業化落地。
依賴易揮發的有機胺鹽添加劑來穩定物相并調控結晶。然而,這種添加劑在高溫條件下極易分解,引發鈣鈦礦薄膜化學組分失衡,進而顯著降低電池在高溫工況下的運行穩定性。
結晶路徑轉變策略實現高效率高溫工況穩定鈣鈦礦太陽能電池。(受訪者供圖)
針對這一難題,袁明鑒帶領研究團隊結合理論預測,發展了一種具有更高熱穩定性的合金鈣鈦礦制備策略,該策略徹底解決甲脒銫組分鈣鈦礦薄膜組分不均一的問題。利用該策略制備的鈣鈦礦太陽能電池器件,展現出世界一流的能量轉換效率與高溫工況穩定性。
研究團隊協同探究材料關鍵難題。(受訪者提供)
“此項研究不僅為鈣鈦礦太陽能電池的穩定性提升奠定了堅實的技術基礎,也為光伏技術的進一步實用化和商業化開辟了廣闊前景,對推動全球能源結構的綠色轉型具有深遠意義。”袁明鑒說。
袁明鑒表示,目前研究團隊正通過校企合作,積極推進符合產業化需求的高性能鈣鈦礦太陽能電池模組的研發,力求盡快推動研究成果的實際應用與產業化落地。
結晶路徑轉變策略實現高效率高溫工況穩定鈣鈦礦太陽能電池。(受訪者供圖)
針對這一難題,袁明鑒帶領研究團隊結合理論預測,發展了一種具有更高熱穩定性的合金鈣鈦礦制備策略,該策略徹底解決甲脒銫組分鈣鈦礦薄膜組分不均一的問題。利用該策略制備的鈣鈦礦太陽能電池器件,展現出世界一流的能量轉換效率與高溫工況穩定性。
“此項研究不僅為鈣鈦礦太陽能電池的穩定性提升奠定了堅實的技術基礎,也為光伏技術的進一步實用化和商業化開辟了廣闊前景,對推動全球能源結構的綠色轉型具有深遠意義。”袁明鑒說。
袁明鑒表示,目前研究團隊正通過校企合作,積極推進符合產業化需求的高性能鈣鈦礦太陽能電池模組的研發,力求盡快推動研究成果的實際應用與產業化落地。
技術前沿
單片集成互補邏輯電路與高速光互聯建立在無數金屬-半導體接觸基礎之上,而低電阻且耐久的歐姆接觸是制約超寬禁帶半導體光電子器件性能與應用的一大因素。
近日,哈工大紅外薄膜與晶體團隊創新提出過渡金屬(TMs)金屬化方法,首次在絕緣的氧終端本征金剛石(OTD)表面制備出了有效歐姆接觸,10-8?Ωcm2級別極低比接觸電阻打破了金剛石器件領域近三十年的記錄。
通過對界面結構的微觀表征,發現TMs擴散進金剛石中產生的淺層晶格損傷是形成歐姆接觸的關鍵原因,改變了界面過渡金屬碳化物(TMC)的生成是金剛石歐姆接觸的成因這一傳統認知。從而擴展了在金剛石上制備穩定低阻歐姆接觸的方法與理論,有望推動金剛石基高頻高功率電子器件與高性能光電器件產業的發展。
相關成果以Record Low Contact Resistivity of 10-8Ω?cm2Ohmic Contacts on Oxygen-Terminated Intrinsic Diamond by Transition Metals Metallization為題發表在國際微電子領域權威期刊《IEEE Electron Device Letters》,并申請多項中國發明專利。第一作者為博士生范賽飛,通訊作者為副教授劉康與教授朱嘉琦。
微電子領域權威期刊《IEEE Electron Device Letters》,并申請多項中國發明專利。第一作者為博士生范賽飛,通訊作者為副教授劉康與教授朱嘉琦。
/ 背景介紹?/
金剛石作為UWBG半導體的代表,因其寬帶隙、最高的機械強度與熱導率、高載流子遷移率、高擊穿場強與化學惰性等優異特性,被公認為終極半導體材料,在功率電子器件、深紫外光電子學、量子信息及極端環境應用等領域具有不可代替的優勢。
除了高質量晶體材料的獲得與有效摻雜的制備,限制UWBG半導體材料光電子器件發展的一大制約因素即缺乏高效且耐久的歐姆接觸。歐姆接觸是一種具有低接觸電阻的金屬-半導體接觸,接觸界面的導電遵循金屬歐姆定律,即電流與電壓成正比。歐姆接觸通常制作在高導電的重摻雜半導體表面,其勢壘變得極薄,有利于載流子隧穿通過。由于p型摻雜的成功,摻硼金剛石表面的鈦基歐姆接觸和氫終端金剛石表面的貴金屬歐姆接觸已得到廣泛應用,金剛石肖特基二極管與場效應晶體管得以實現。
然而相同歐姆接觸制備工藝在具有穩定絕緣表面、奇異能帶結構和極低載流子濃度的OTD上則難以實現,限制了極端環境下高性能光電子器件的發展,這不僅會導致功率二極管輸出電流和整流比降低,晶體管開關比下降,光電探測器響應度和外量子效率降低,而且不良的附著力還會大大降低器件可靠性。因此,探索基于OTD的優異歐姆接觸勢在必行,以充分釋放其作為終極半導體的潛力,并提升其商業應用價值。
/ 研究內容 /
在前人對摻硼金剛石鈦基歐姆接觸的研究基礎上,作者提出損傷層概念假設:只要能在金剛石表面形成深入耗盡層的“導電損傷層”,便可在電極接觸與體金剛石之間形成跨越勢壘的電接觸。此舉或能解決制備OTD器件歐姆接觸的難題。為驗證假設的可行性,創新使用TMs(包括Pt、Ru、W、Cr、Zr和V)對OTD進行深度金屬化處理,以形成更深的金剛石損傷層。實驗結果表明,金屬化處理后,所用TMs均能在OTD表面形成低阻歐姆接觸,且牢固附著在金剛石表面,顯示出比氫終端金剛石歐姆接觸更高的可靠性。
圖1. (a) 制造過程示意圖。(b) 樣品光學照片。(c) 六種TMs接觸的I-V特性曲線。(d)ρc值隨溫度T的變化圖,彩色條帶為擬合線。(e) 測得的ρc值及其與其他金剛石歐姆接觸的比較。
由于OTD本征電阻率極高,導通電流僅為皮安(10-12?A)級別,極易受到外界噪聲等波動造成基線偏移,使用傳輸線理論(TLM)進行歐姆接觸比接觸電阻率(ρc)的測量是極為困難的。考慮測得的總電阻可等效于溝道電阻Rs與ρc之和。為減少Rs,將金屬化后的樣品進行氫終端處理,以獲得具有二維空穴氣(2DHG)導電的溝道。在氫終端處理后,對樣品進行了多次ρc測量,實測Pt接觸實現了2.5×10-8?Ω?cm2的超低ρc值,打破了金剛石歐姆接觸領域近三十年來最低記錄。
為了排除2DHG導電溝道對歐姆接觸形成的影響,我們使用氧等離子將暴露的金剛石表面重新處理為氧終端。如圖2所示,I-V特性依然保持線性,但電流顯著減小(與圖1c相比)。這表明,在退火條件下過渡金屬與金剛石的界面反應是形成歐姆接觸的原因,而氫終端的2DHG溝道僅降低Rs以方便測試,并不會導致電極側面短路。
圖2. 經過氧等離子體再處理后的Pt、Zr、W和V歐姆接觸的I-V特性。
為探究本研究中高功函數TMs與金剛石之間界面反應與傳統Ti基接觸的不同,表征了Pt與W接觸的鍵合界面。深度共聚焦拉曼光譜表征結果顯示,使用5 nm的半透明TMs對金剛石金屬化處理后,出現了金剛石NV色心熒光強度的顯著提升,而Pt還顯示出sp2碳催化能力,如圖3所示。我們收集了自表面起不同深度的NV色心與石墨碳峰的相對強度變化,發現兩者均顯示出隨深度指數型降低的結果,而且降低規律遵循菲克第一擴散定律。NV色心發射強度顯著增強原自金剛石與過渡金屬高溫反應生成的大量碳空位。金屬化后,金剛石晶格產生大量損傷,其中的碳空位在熱力學和濃度梯度的驅動下,會擴散至金剛石內部,隨后被均勻分布的氮雜質捕獲并結合,形成更加穩定的NV色心結構。這為定點制備金剛石淺層色心提供了簡單高效的方法,有望推動固態量子光源建設。
圖3. (a) 在無金屬覆蓋的空白OTD和薄層金屬化后OTD拉曼光譜。(b) NV色心和石墨碳相對強度隨金屬化樣品深度變化的曲線圖。擬合曲線(灰色虛線)及相應函數如圖(b)所示。
深度刻蝕XPS光譜表征結果顯示,使用W對金剛石金屬化后,金剛石亞表面的W主要以碳化物形式存在。從深度剖面圖可以得出,sp3碳含量保持恒定,表明刻蝕范圍位于金剛石內部而非純碳化鎢層;內部的sp2碳含量很可能是由Ar+轟擊產生的主要產物。可以得出,經W金屬化后的金剛石近表面層主要由一層受損的“摻雜”有W2C及少量WOx的金剛石薄層構成。
圖4. 通過5 nm鎢金屬化的樣品的XPS光譜。(a) 制備表面擬合的C1s光譜。(b)每次蝕刻后的C1s光譜瀑布圖,其中77秒蝕刻時間的光譜被擬合。(c) 每次蝕刻后的W4f光譜瀑布圖,制備表面的光譜被擬合。(d)-(f) 分別從所有元素掃描、C1s和W4f光譜中提取的深度剖面。
圖5展示了通過5nm鉑金屬化的樣品的深度刻蝕XPS光譜。圖5a中可見非對稱的sp2碳峰。圖5b中的對稱O1s峰和圖5c中不對稱的雙重Pt4f峰表明,Pt元素以金屬態擴散分布于樣品內部。可以推斷出,Pt金屬化后處理的金剛石亞表面呈現出由大量sp2碳、少量金屬Pt及金剛石相構成的漸變混合狀態。而金屬化處理過程中Pt保持零價金屬態,未生成氧化物或碳化物,但仍能實現低電阻歐姆接觸,這與Ti基歐姆接觸結果顯著不同。
圖5. 經5 nm鉑金屬化樣品的XPS光譜。(a) 歸一化擬合C1s XPS光譜的三維瀑布圖。擬合光譜從原始表面掃描,以表征內部碳的各種成分。(b) 蝕刻前的O1s XPS光譜。(c)從第五次蝕刻掃描的Pt4f XPS光譜。(d) 和 (e) 從所有元素掃描及C1s光譜提取的深度剖面圖。
為了獲取混合損傷界面的微觀形貌信息,我們對使用Pt金屬化后的金剛石拍攝了界面透射電鏡(XTEM),如圖6所示。Pt與金剛石晶格之間存在一層薄約5nm的無定形碳(a-C)。放大后顯示,表層金剛石晶格中充滿了碳空位或孔洞缺陷,快速傅里葉變化(FFT)衍射圖案也顯示出非對稱的形態,表明金剛石晶格經受嚴重損傷。而a-C的FFT則顯示出無定形材料典型的光暈特征。元素mapping顯示Pt與金剛石之間界面清晰,并未產生碳化物中間層。證明了上述光譜表征結果。
圖6. 基于Pt的歐姆接觸的XTEM圖像。(a) Pt與金剛石晶格間存在一層薄的a-C層。(b) 界面下方受損的金剛石晶格及其對應的FFT插圖。(c)界面下方的無定形碳及其對應的FFT插圖。(d)界面的元素映射圖。
在使用TMs對金剛石進行金屬化后,金剛石歐姆接觸的亞表面層并非如先前所認為的那樣,是具有清晰界面的純TMC層,而是受到了損傷的金剛石,其內摻入了大量sp2碳、空位缺陷、TMC或其他電活性缺陷,類似于離子注入后的導電金剛石,因此形成了金屬導電旁路(metal shunts),連接電極觸點與塊體金剛石內部,產生極低的接觸電阻率與勢壘。這種金屬導電特性與傳統熱電子發射或場發射模式下的載流子傳輸機制相悖,后者中接觸電阻率隨溫度升高而降低。在寬禁帶III-V族半導體的合金歐姆接觸中是常見的機制。同時,我們發現,Pt和其他不易氧化的惰性TMs,其金半接觸性能不僅與傳統鈦基歐姆接觸相當,甚至更優。因此,它們可作為制備金剛石歐姆接觸的更為簡便、穩定且耐久的替代方案。
使用TMs(包括Pt、Ru、W、Cr、Zr和V)對OTD進行深度金屬化處理,以形成更深的金剛石損傷層。實驗結果表明,金屬化處理后,所用TMs均能在OTD表面形成低阻歐姆接觸,且牢固附著在金剛石表面,顯示出比氫終端金剛石歐姆接觸更高的可靠性。
圖1. (a) 制造過程示意圖。(b) 樣品光學照片。(c) 六種TMs接觸的I-V特性曲線。(d)ρc值隨溫度T的變化圖,彩色條帶為擬合線。(e) 測得的ρc值及其與其他金剛石歐姆接觸的比較。
由于OTD本征電阻率極高,導通電流僅為皮安(10-12?A)級別,極易受到外界噪聲等波動造成基線偏移,使用傳輸線理論(TLM)進行歐姆接觸比接觸電阻率(ρc)的測量是極為困難的。考慮測得的總電阻可等效于溝道電阻Rs與ρc之和。為減少Rs,將金屬化后的樣品進行氫終端處理,以獲得具有二維空穴氣(2DHG)導電的溝道。在氫終端處理后,對樣品進行了多次ρc測量,實測Pt接觸實現了2.5×10-8?Ω?cm2的超低ρc值,打破了金剛石歐姆接觸領域近三十年來最低記錄。
為了排除2DHG導電溝道對歐姆接觸形成的影響,我們使用氧等離子將暴露的金剛石表面重新處理為氧終端。如圖2所示,I-V特性依然保持線性,但電流顯著減小(與圖1c相比)。這表明,在退火條件下過渡金屬與金剛石的界面反應是形成歐姆接觸的原因,而氫終端的2DHG溝道僅降低Rs以方便測試,并不會導致電極側面短路。
圖2. 經過氧等離子體再處理后的Pt、Zr、W和V歐姆接觸的I-V特性。
為探究本研究中高功函數TMs與金剛石之間界面反應與傳統Ti基接觸的不同,表征了Pt與W接觸的鍵合界面。深度共聚焦拉曼光譜表征結果顯示,使用5 nm的半透明TMs對金剛石金屬化處理后,出現了金剛石NV色心熒光強度的顯著提升,而Pt還顯示出sp2碳催化能力,如圖3所示。我們收集了自表面起不同深度的NV色心與石墨碳峰的相對強度變化,發現兩者均顯示出隨深度指數型降低的結果,而且降低規律遵循菲克第一擴散定律。NV色心發射強度顯著增強原自金剛石與過渡金屬高溫反應生成的大量碳空位。金屬化后,金剛石晶格產生大量損傷,其中的碳空位在熱力學和濃度梯度的驅動下,會擴散至金剛石內部,隨后被均勻分布的氮雜質捕獲并結合,形成更加穩定的NV色心結構。這為定點制備金剛石淺層色心提供了簡單高效的方法,有望推動固態量子光源建設。
圖3. (a) 在無金屬覆蓋的空白OTD和薄層金屬化后OTD拉曼光譜。(b) NV色心和石墨碳相對強度隨金屬化樣品深度變化的曲線圖。擬合曲線(灰色虛線)及相應函數如圖(b)所示。
深度刻蝕XPS光譜表征結果顯示,使用W對金剛石金屬化后,金剛石亞表面的W主要以碳化物形式存在。從深度剖面圖可以得出,sp3碳含量保持恒定,表明刻蝕范圍位于金剛石內部而非純碳化鎢層;內部的sp2碳含量很可能是由Ar+轟擊產生的主要產物。可以得出,經W金屬化后的金剛石近表面層主要由一層受損的“摻雜”有W2C及少量WOx的金剛石薄層構成。
圖4. 通過5 nm鎢金屬化的樣品的XPS光譜。(a) 制備表面擬合的C1s光譜。(b)每次蝕刻后的C1s光譜瀑布圖,其中77秒蝕刻時間的光譜被擬合。(c) 每次蝕刻后的W4f光譜瀑布圖,制備表面的光譜被擬合。(d)-(f) 分別從所有元素掃描、C1s和W4f光譜中提取的深度剖面。
圖5展示了通過5nm鉑金屬化的樣品的深度刻蝕XPS光譜。圖5a中可見非對稱的sp2碳峰。圖5b中的對稱O1s峰和圖5c中不對稱的雙重Pt4f峰表明,Pt元素以金屬態擴散分布于樣品內部。可以推斷出,Pt金屬化后處理的金剛石亞表面呈現出由大量sp2碳、少量金屬Pt及金剛石相構成的漸變混合狀態。而金屬化處理過程中Pt保持零價金屬態,未生成氧化物或碳化物,但仍能實現低電阻歐姆接觸,這與Ti基歐姆接觸結果顯著不同。
圖5. 經5 nm鉑金屬化樣品的XPS光譜。(a) 歸一化擬合C1s XPS光譜的三維瀑布圖。擬合光譜從原始表面掃描,以表征內部碳的各種成分。(b) 蝕刻前的O1s XPS光譜。(c)從第五次蝕刻掃描的Pt4f XPS光譜。(d) 和 (e) 從所有元素掃描及C1s光譜提取的深度剖面圖。
為了獲取混合損傷界面的微觀形貌信息,我們對使用Pt金屬化后的金剛石拍攝了界面透射電鏡(XTEM),如圖6所示。Pt與金剛石晶格之間存在一層薄約5nm的無定形碳(a-C)。放大后顯示,表層金剛石晶格中充滿了碳空位或孔洞缺陷,快速傅里葉變化(FFT)衍射圖案也顯示出非對稱的形態,表明金剛石晶格經受嚴重損傷。而a-C的FFT則顯示出無定形材料典型的光暈特征。元素mapping顯示Pt與金剛石之間界面清晰,并未產生碳化物中間層。證明了上述光譜表征結果。
圖6. 基于Pt的歐姆接觸的XTEM圖像。(a) Pt與金剛石晶格間存在一層薄的a-C層。(b) 界面下方受損的金剛石晶格及其對應的FFT插圖。(c)界面下方的無定形碳及其對應的FFT插圖。(d)界面的元素映射圖。
在使用TMs對金剛石進行金屬化后,金剛石歐姆接觸的亞表面層并非如先前所認為的那樣,是具有清晰界面的純TMC層,而是受到了損傷的金剛石,其內摻入了大量sp2碳、空位缺陷、TMC或其他電活性缺陷,類似于離子注入后的導電金剛石,因此形成了金屬導電旁路(metal shunts),連接電極觸點與塊體金剛石內部,產生極低的接觸電阻率與勢壘。這種金屬導電特性與傳統熱電子發射或場發射模式下的載流子傳輸機制相悖,后者中接觸電阻率隨溫度升高而降低。在寬禁帶III-V族半導體的合金歐姆接觸中是常見的機制。同時,我們發現,Pt和其他不易氧化的惰性TMs,其金半接觸性能不僅與傳統鈦基歐姆接觸相當,甚至更優。因此,它們可作為制備金剛石歐姆接觸的更為簡便、穩定且耐久的替代方案。
圖1. (a) 制造過程示意圖。(b) 樣品光學照片。(c) 六種TMs接觸的I-V特性曲線。(d)ρc值隨溫度T的變化圖,彩色條帶為擬合線。(e) 測得的ρc值及其與其他金剛石歐姆接觸的比較。
由于OTD本征電阻率極高,導通電流僅為皮安(10-12?A)級別,極易受到外界噪聲等波動造成基線偏移,使用傳輸線理論(TLM)進行歐姆接觸比接觸電阻率(ρc)的測量是極為困難的。考慮測得的總電阻可等效于溝道電阻Rs與ρc之和。為減少Rs,將金屬化后的樣品進行氫終端處理,以獲得具有二維空穴氣(2DHG)導電的溝道。在氫終端處理后,對樣品進行了多次ρc測量,實測Pt接觸實現了2.5×10-8?Ω?cm2的超低ρc值,打破了金剛石歐姆接觸領域近三十年來最低記錄。
為了排除2DHG導電溝道對歐姆接觸形成的影響,我們使用氧等離子將暴露的金剛石表面重新處理為氧終端。如圖2所示,I-V特性依然保持線性,但電流顯著減小(與圖1c相比)。這表明,在退火條件下過渡金屬與金剛石的界面反應是形成歐姆接觸的原因,而氫終端的2DHG溝道僅降低Rs以方便測試,并不會導致電極側面短路。
圖2. 經過氧等離子體再處理后的Pt、Zr、W和V歐姆接觸的I-V特性。
為探究本研究中高功函數TMs與金剛石之間界面反應與傳統Ti基接觸的不同,表征了Pt與W接觸的鍵合界面。深度共聚焦拉曼光譜表征結果顯示,使用5 nm的半透明TMs對金剛石金屬化處理后,出現了金剛石NV色心熒光強度的顯著提升,而Pt還顯示出sp2碳催化能力,如圖3所示。我們收集了自表面起不同深度的NV色心與石墨碳峰的相對強度變化,發現兩者均顯示出隨深度指數型降低的結果,而且降低規律遵循菲克第一擴散定律。NV色心發射強度顯著增強原自金剛石與過渡金屬高溫反應生成的大量碳空位。金屬化后,金剛石晶格產生大量損傷,其中的碳空位在熱力學和濃度梯度的驅動下,會擴散至金剛石內部,隨后被均勻分布的氮雜質捕獲并結合,形成更加穩定的NV色心結構。這為定點制備金剛石淺層色心提供了簡單高效的方法,有望推動固態量子光源建設。
圖3. (a) 在無金屬覆蓋的空白OTD和薄層金屬化后OTD拉曼光譜。(b) NV色心和石墨碳相對強度隨金屬化樣品深度變化的曲線圖。擬合曲線(灰色虛線)及相應函數如圖(b)所示。
深度刻蝕XPS光譜表征結果顯示,使用W對金剛石金屬化后,金剛石亞表面的W主要以碳化物形式存在。從深度剖面圖可以得出,sp3碳含量保持恒定,表明刻蝕范圍位于金剛石內部而非純碳化鎢層;內部的sp2碳含量很可能是由Ar+轟擊產生的主要產物。可以得出,經W金屬化后的金剛石近表面層主要由一層受損的“摻雜”有W2C及少量WOx的金剛石薄層構成。
圖4. 通過5 nm鎢金屬化的樣品的XPS光譜。(a) 制備表面擬合的C1s光譜。(b)每次蝕刻后的C1s光譜瀑布圖,其中77秒蝕刻時間的光譜被擬合。(c) 每次蝕刻后的W4f光譜瀑布圖,制備表面的光譜被擬合。(d)-(f) 分別從所有元素掃描、C1s和W4f光譜中提取的深度剖面。
圖5展示了通過5nm鉑金屬化的樣品的深度刻蝕XPS光譜。圖5a中可見非對稱的sp2碳峰。圖5b中的對稱O1s峰和圖5c中不對稱的雙重Pt4f峰表明,Pt元素以金屬態擴散分布于樣品內部。可以推斷出,Pt金屬化后處理的金剛石亞表面呈現出由大量sp2碳、少量金屬Pt及金剛石相構成的漸變混合狀態。而金屬化處理過程中Pt保持零價金屬態,未生成氧化物或碳化物,但仍能實現低電阻歐姆接觸,這與Ti基歐姆接觸結果顯著不同。
圖5. 經5 nm鉑金屬化樣品的XPS光譜。(a) 歸一化擬合C1s XPS光譜的三維瀑布圖。擬合光譜從原始表面掃描,以表征內部碳的各種成分。(b) 蝕刻前的O1s XPS光譜。(c)從第五次蝕刻掃描的Pt4f XPS光譜。(d) 和 (e) 從所有元素掃描及C1s光譜提取的深度剖面圖。
為了獲取混合損傷界面的微觀形貌信息,我們對使用Pt金屬化后的金剛石拍攝了界面透射電鏡(XTEM),如圖6所示。Pt與金剛石晶格之間存在一層薄約5nm的無定形碳(a-C)。放大后顯示,表層金剛石晶格中充滿了碳空位或孔洞缺陷,快速傅里葉變化(FFT)衍射圖案也顯示出非對稱的形態,表明金剛石晶格經受嚴重損傷。而a-C的FFT則顯示出無定形材料典型的光暈特征。元素mapping顯示Pt與金剛石之間界面清晰,并未產生碳化物中間層。證明了上述光譜表征結果。
圖6. 基于Pt的歐姆接觸的XTEM圖像。(a) Pt與金剛石晶格間存在一層薄的a-C層。(b) 界面下方受損的金剛石晶格及其對應的FFT插圖。(c)界面下方的無定形碳及其對應的FFT插圖。(d)界面的元素映射圖。
在使用TMs對金剛石進行金屬化后,金剛石歐姆接觸的亞表面層并非如先前所認為的那樣,是具有清晰界面的純TMC層,而是受到了損傷的金剛石,其內摻入了大量sp2碳、空位缺陷、TMC或其他電活性缺陷,類似于離子注入后的導電金剛石,因此形成了金屬導電旁路(metal shunts),連接電極觸點與塊體金剛石內部,產生極低的接觸電阻率與勢壘。這種金屬導電特性與傳統熱電子發射或場發射模式下的載流子傳輸機制相悖,后者中接觸電阻率隨溫度升高而降低。在寬禁帶III-V族半導體的合金歐姆接觸中是常見的機制。同時,我們發現,Pt和其他不易氧化的惰性TMs,其金半接觸性能不僅與傳統鈦基歐姆接觸相當,甚至更優。因此,它們可作為制備金剛石歐姆接觸的更為簡便、穩定且耐久的替代方案。
圖2. 經過氧等離子體再處理后的Pt、Zr、W和V歐姆接觸的I-V特性。
為探究本研究中高功函數TMs與金剛石之間界面反應與傳統Ti基接觸的不同,表征了Pt與W接觸的鍵合界面。深度共聚焦拉曼光譜表征結果顯示,使用5 nm的半透明TMs對金剛石金屬化處理后,出現了金剛石NV色心熒光強度的顯著提升,而Pt還顯示出sp2碳催化能力,如圖3所示。我們收集了自表面起不同深度的NV色心與石墨碳峰的相對強度變化,發現兩者均顯示出隨深度指數型降低的結果,而且降低規律遵循菲克第一擴散定律。NV色心發射強度顯著增強原自金剛石與過渡金屬高溫反應生成的大量碳空位。金屬化后,金剛石晶格產生大量損傷,其中的碳空位在熱力學和濃度梯度的驅動下,會擴散至金剛石內部,隨后被均勻分布的氮雜質捕獲并結合,形成更加穩定的NV色心結構。這為定點制備金剛石淺層色心提供了簡單高效的方法,有望推動固態量子光源建設。
圖3. (a) 在無金屬覆蓋的空白OTD和薄層金屬化后OTD拉曼光譜。(b) NV色心和石墨碳相對強度隨金屬化樣品深度變化的曲線圖。擬合曲線(灰色虛線)及相應函數如圖(b)所示。
深度刻蝕XPS光譜表征結果顯示,使用W對金剛石金屬化后,金剛石亞表面的W主要以碳化物形式存在。從深度剖面圖可以得出,sp3碳含量保持恒定,表明刻蝕范圍位于金剛石內部而非純碳化鎢層;內部的sp2碳含量很可能是由Ar+轟擊產生的主要產物。可以得出,經W金屬化后的金剛石近表面層主要由一層受損的“摻雜”有W2C及少量WOx的金剛石薄層構成。
圖4. 通過5 nm鎢金屬化的樣品的XPS光譜。(a) 制備表面擬合的C1s光譜。(b)每次蝕刻后的C1s光譜瀑布圖,其中77秒蝕刻時間的光譜被擬合。(c) 每次蝕刻后的W4f光譜瀑布圖,制備表面的光譜被擬合。(d)-(f) 分別從所有元素掃描、C1s和W4f光譜中提取的深度剖面。
圖5展示了通過5nm鉑金屬化的樣品的深度刻蝕XPS光譜。圖5a中可見非對稱的sp2碳峰。圖5b中的對稱O1s峰和圖5c中不對稱的雙重Pt4f峰表明,Pt元素以金屬態擴散分布于樣品內部。可以推斷出,Pt金屬化后處理的金剛石亞表面呈現出由大量sp2碳、少量金屬Pt及金剛石相構成的漸變混合狀態。而金屬化處理過程中Pt保持零價金屬態,未生成氧化物或碳化物,但仍能實現低電阻歐姆接觸,這與Ti基歐姆接觸結果顯著不同。
圖5. 經5 nm鉑金屬化樣品的XPS光譜。(a) 歸一化擬合C1s XPS光譜的三維瀑布圖。擬合光譜從原始表面掃描,以表征內部碳的各種成分。(b) 蝕刻前的O1s XPS光譜。(c)從第五次蝕刻掃描的Pt4f XPS光譜。(d) 和 (e) 從所有元素掃描及C1s光譜提取的深度剖面圖。
為了獲取混合損傷界面的微觀形貌信息,我們對使用Pt金屬化后的金剛石拍攝了界面透射電鏡(XTEM),如圖6所示。Pt與金剛石晶格之間存在一層薄約5nm的無定形碳(a-C)。放大后顯示,表層金剛石晶格中充滿了碳空位或孔洞缺陷,快速傅里葉變化(FFT)衍射圖案也顯示出非對稱的形態,表明金剛石晶格經受嚴重損傷。而a-C的FFT則顯示出無定形材料典型的光暈特征。元素mapping顯示Pt與金剛石之間界面清晰,并未產生碳化物中間層。證明了上述光譜表征結果。
圖6. 基于Pt的歐姆接觸的XTEM圖像。(a) Pt與金剛石晶格間存在一層薄的a-C層。(b) 界面下方受損的金剛石晶格及其對應的FFT插圖。(c)界面下方的無定形碳及其對應的FFT插圖。(d)界面的元素映射圖。
在使用TMs對金剛石進行金屬化后,金剛石歐姆接觸的亞表面層并非如先前所認為的那樣,是具有清晰界面的純TMC層,而是受到了損傷的金剛石,其內摻入了大量sp2碳、空位缺陷、TMC或其他電活性缺陷,類似于離子注入后的導電金剛石,因此形成了金屬導電旁路(metal shunts),連接電極觸點與塊體金剛石內部,產生極低的接觸電阻率與勢壘。這種金屬導電特性與傳統熱電子發射或場發射模式下的載流子傳輸機制相悖,后者中接觸電阻率隨溫度升高而降低。在寬禁帶III-V族半導體的合金歐姆接觸中是常見的機制。同時,我們發現,Pt和其他不易氧化的惰性TMs,其金半接觸性能不僅與傳統鈦基歐姆接觸相當,甚至更優。因此,它們可作為制備金剛石歐姆接觸的更為簡便、穩定且耐久的替代方案。
圖3. (a) 在無金屬覆蓋的空白OTD和薄層金屬化后OTD拉曼光譜。(b) NV色心和石墨碳相對強度隨金屬化樣品深度變化的曲線圖。擬合曲線(灰色虛線)及相應函數如圖(b)所示。
深度刻蝕XPS光譜表征結果顯示,使用W對金剛石金屬化后,金剛石亞表面的W主要以碳化物形式存在。從深度剖面圖可以得出,sp3碳含量保持恒定,表明刻蝕范圍位于金剛石內部而非純碳化鎢層;內部的sp2碳含量很可能是由Ar+轟擊產生的主要產物。可以得出,經W金屬化后的金剛石近表面層主要由一層受損的“摻雜”有W2C及少量WOx的金剛石薄層構成。
圖4. 通過5 nm鎢金屬化的樣品的XPS光譜。(a) 制備表面擬合的C1s光譜。(b)每次蝕刻后的C1s光譜瀑布圖,其中77秒蝕刻時間的光譜被擬合。(c) 每次蝕刻后的W4f光譜瀑布圖,制備表面的光譜被擬合。(d)-(f) 分別從所有元素掃描、C1s和W4f光譜中提取的深度剖面。
圖5展示了通過5nm鉑金屬化的樣品的深度刻蝕XPS光譜。圖5a中可見非對稱的sp2碳峰。圖5b中的對稱O1s峰和圖5c中不對稱的雙重Pt4f峰表明,Pt元素以金屬態擴散分布于樣品內部。可以推斷出,Pt金屬化后處理的金剛石亞表面呈現出由大量sp2碳、少量金屬Pt及金剛石相構成的漸變混合狀態。而金屬化處理過程中Pt保持零價金屬態,未生成氧化物或碳化物,但仍能實現低電阻歐姆接觸,這與Ti基歐姆接觸結果顯著不同。
圖5. 經5 nm鉑金屬化樣品的XPS光譜。(a) 歸一化擬合C1s XPS光譜的三維瀑布圖。擬合光譜從原始表面掃描,以表征內部碳的各種成分。(b) 蝕刻前的O1s XPS光譜。(c)從第五次蝕刻掃描的Pt4f XPS光譜。(d) 和 (e) 從所有元素掃描及C1s光譜提取的深度剖面圖。
為了獲取混合損傷界面的微觀形貌信息,我們對使用Pt金屬化后的金剛石拍攝了界面透射電鏡(XTEM),如圖6所示。Pt與金剛石晶格之間存在一層薄約5nm的無定形碳(a-C)。放大后顯示,表層金剛石晶格中充滿了碳空位或孔洞缺陷,快速傅里葉變化(FFT)衍射圖案也顯示出非對稱的形態,表明金剛石晶格經受嚴重損傷。而a-C的FFT則顯示出無定形材料典型的光暈特征。元素mapping顯示Pt與金剛石之間界面清晰,并未產生碳化物中間層。證明了上述光譜表征結果。
圖6. 基于Pt的歐姆接觸的XTEM圖像。(a) Pt與金剛石晶格間存在一層薄的a-C層。(b) 界面下方受損的金剛石晶格及其對應的FFT插圖。(c)界面下方的無定形碳及其對應的FFT插圖。(d)界面的元素映射圖。
在使用TMs對金剛石進行金屬化后,金剛石歐姆接觸的亞表面層并非如先前所認為的那樣,是具有清晰界面的純TMC層,而是受到了損傷的金剛石,其內摻入了大量sp2碳、空位缺陷、TMC或其他電活性缺陷,類似于離子注入后的導電金剛石,因此形成了金屬導電旁路(metal shunts),連接電極觸點與塊體金剛石內部,產生極低的接觸電阻率與勢壘。這種金屬導電特性與傳統熱電子發射或場發射模式下的載流子傳輸機制相悖,后者中接觸電阻率隨溫度升高而降低。在寬禁帶III-V族半導體的合金歐姆接觸中是常見的機制。同時,我們發現,Pt和其他不易氧化的惰性TMs,其金半接觸性能不僅與傳統鈦基歐姆接觸相當,甚至更優。因此,它們可作為制備金剛石歐姆接觸的更為簡便、穩定且耐久的替代方案。
圖4. 通過5 nm鎢金屬化的樣品的XPS光譜。(a) 制備表面擬合的C1s光譜。(b)每次蝕刻后的C1s光譜瀑布圖,其中77秒蝕刻時間的光譜被擬合。(c) 每次蝕刻后的W4f光譜瀑布圖,制備表面的光譜被擬合。(d)-(f) 分別從所有元素掃描、C1s和W4f光譜中提取的深度剖面。
圖5展示了通過5nm鉑金屬化的樣品的深度刻蝕XPS光譜。圖5a中可見非對稱的sp2碳峰。圖5b中的對稱O1s峰和圖5c中不對稱的雙重Pt4f峰表明,Pt元素以金屬態擴散分布于樣品內部。可以推斷出,Pt金屬化后處理的金剛石亞表面呈現出由大量sp2碳、少量金屬Pt及金剛石相構成的漸變混合狀態。而金屬化處理過程中Pt保持零價金屬態,未生成氧化物或碳化物,但仍能實現低電阻歐姆接觸,這與Ti基歐姆接觸結果顯著不同。
圖5. 經5 nm鉑金屬化樣品的XPS光譜。(a) 歸一化擬合C1s XPS光譜的三維瀑布圖。擬合光譜從原始表面掃描,以表征內部碳的各種成分。(b) 蝕刻前的O1s XPS光譜。(c)從第五次蝕刻掃描的Pt4f XPS光譜。(d) 和 (e) 從所有元素掃描及C1s光譜提取的深度剖面圖。
為了獲取混合損傷界面的微觀形貌信息,我們對使用Pt金屬化后的金剛石拍攝了界面透射電鏡(XTEM),如圖6所示。Pt與金剛石晶格之間存在一層薄約5nm的無定形碳(a-C)。放大后顯示,表層金剛石晶格中充滿了碳空位或孔洞缺陷,快速傅里葉變化(FFT)衍射圖案也顯示出非對稱的形態,表明金剛石晶格經受嚴重損傷。而a-C的FFT則顯示出無定形材料典型的光暈特征。元素mapping顯示Pt與金剛石之間界面清晰,并未產生碳化物中間層。證明了上述光譜表征結果。
圖6. 基于Pt的歐姆接觸的XTEM圖像。(a) Pt與金剛石晶格間存在一層薄的a-C層。(b) 界面下方受損的金剛石晶格及其對應的FFT插圖。(c)界面下方的無定形碳及其對應的FFT插圖。(d)界面的元素映射圖。
在使用TMs對金剛石進行金屬化后,金剛石歐姆接觸的亞表面層并非如先前所認為的那樣,是具有清晰界面的純TMC層,而是受到了損傷的金剛石,其內摻入了大量sp2碳、空位缺陷、TMC或其他電活性缺陷,類似于離子注入后的導電金剛石,因此形成了金屬導電旁路(metal shunts),連接電極觸點與塊體金剛石內部,產生極低的接觸電阻率與勢壘。這種金屬導電特性與傳統熱電子發射或場發射模式下的載流子傳輸機制相悖,后者中接觸電阻率隨溫度升高而降低。在寬禁帶III-V族半導體的合金歐姆接觸中是常見的機制。同時,我們發現,Pt和其他不易氧化的惰性TMs,其金半接觸性能不僅與傳統鈦基歐姆接觸相當,甚至更優。因此,它們可作為制備金剛石歐姆接觸的更為簡便、穩定且耐久的替代方案。
圖5. 經5 nm鉑金屬化樣品的XPS光譜。(a) 歸一化擬合C1s XPS光譜的三維瀑布圖。擬合光譜從原始表面掃描,以表征內部碳的各種成分。(b) 蝕刻前的O1s XPS光譜。(c)從第五次蝕刻掃描的Pt4f XPS光譜。(d) 和 (e) 從所有元素掃描及C1s光譜提取的深度剖面圖。
為了獲取混合損傷界面的微觀形貌信息,我們對使用Pt金屬化后的金剛石拍攝了界面透射電鏡(XTEM),如圖6所示。Pt與金剛石晶格之間存在一層薄約5nm的無定形碳(a-C)。放大后顯示,表層金剛石晶格中充滿了碳空位或孔洞缺陷,快速傅里葉變化(FFT)衍射圖案也顯示出非對稱的形態,表明金剛石晶格經受嚴重損傷。而a-C的FFT則顯示出無定形材料典型的光暈特征。元素mapping顯示Pt與金剛石之間界面清晰,并未產生碳化物中間層。證明了上述光譜表征結果。
圖6. 基于Pt的歐姆接觸的XTEM圖像。(a) Pt與金剛石晶格間存在一層薄的a-C層。(b) 界面下方受損的金剛石晶格及其對應的FFT插圖。(c)界面下方的無定形碳及其對應的FFT插圖。(d)界面的元素映射圖。
在使用TMs對金剛石進行金屬化后,金剛石歐姆接觸的亞表面層并非如先前所認為的那樣,是具有清晰界面的純TMC層,而是受到了損傷的金剛石,其內摻入了大量sp2碳、空位缺陷、TMC或其他電活性缺陷,類似于離子注入后的導電金剛石,因此形成了金屬導電旁路(metal shunts),連接電極觸點與塊體金剛石內部,產生極低的接觸電阻率與勢壘。這種金屬導電特性與傳統熱電子發射或場發射模式下的載流子傳輸機制相悖,后者中接觸電阻率隨溫度升高而降低。在寬禁帶III-V族半導體的合金歐姆接觸中是常見的機制。同時,我們發現,Pt和其他不易氧化的惰性TMs,其金半接觸性能不僅與傳統鈦基歐姆接觸相當,甚至更優。因此,它們可作為制備金剛石歐姆接觸的更為簡便、穩定且耐久的替代方案。
圖6. 基于Pt的歐姆接觸的XTEM圖像。(a) Pt與金剛石晶格間存在一層薄的a-C層。(b) 界面下方受損的金剛石晶格及其對應的FFT插圖。(c)界面下方的無定形碳及其對應的FFT插圖。(d)界面的元素映射圖。
在使用TMs對金剛石進行金屬化后,金剛石歐姆接觸的亞表面層并非如先前所認為的那樣,是具有清晰界面的純TMC層,而是受到了損傷的金剛石,其內摻入了大量sp2碳、空位缺陷、TMC或其他電活性缺陷,類似于離子注入后的導電金剛石,因此形成了金屬導電旁路(metal shunts),連接電極觸點與塊體金剛石內部,產生極低的接觸電阻率與勢壘。這種金屬導電特性與傳統熱電子發射或場發射模式下的載流子傳輸機制相悖,后者中接觸電阻率隨溫度升高而降低。在寬禁帶III-V族半導體的合金歐姆接觸中是常見的機制。同時,我們發現,Pt和其他不易氧化的惰性TMs,其金半接觸性能不僅與傳統鈦基歐姆接觸相當,甚至更優。因此,它們可作為制備金剛石歐姆接觸的更為簡便、穩定且耐久的替代方案。
專業評論
今天,在中國電力企業聯合會舉辦的新型電力系統發展(崇禮)論壇上,華為董事、華為數字能源總裁侯金龍發表了“積極推進構網型儲能產業高質量發展,助力新型電力系統建設”的主題演講。侯金龍表示:“隨著新能源的快速發展,全球電力系統進入可再生能源高滲透率階段,給電網穩定運行帶來挑戰,成為全球新能源發展難題。構網技術作為新型電力系統的關鍵支撐技術之一,已經成為各國電力系統科技創新的技術高地。華為數字能源在新能源并網、電網友好技術領域持續積累,不斷推動并網友好性技術從‘跟隨電網’、‘支撐電網’走向‘增強電網’,為建設新型電力系統貢獻力量。”
近年來,光伏、風電產業快速發展,未來還有更大的發展空間。按照COP28的規劃,到2030年,可再生能源裝機要達到2022年的3倍,超過1.1萬GW。但新能源快速消耗電力系統靈活調節資源,其隨機性、波動性、間歇性的特點使電力系統平衡和安全問題更加突出。構網技術是提升新能源主動支撐能力的關鍵技術,各國正從技術標準、政策等方面大力推動發展以及在商業項目應用。
華為持續投入新能源并網的安全穩定性研究,助力產業發展
從2011年起,華為一直壓強式投入新能源并網的安全穩定性研究,助力產業可持續發展,并在國內外多個場景和項目進行了應用。在中東,沙特紅海新城首期400MW光伏和1.3GWh儲能系統,全部采用華為智能組串式構網型儲能解決方案,從2023年9月全部投入運營,提供了超過10億度綠色電力,是全球首個100%可再生能源供電的城市微網。該項目已安全穩定運行一年,從1000臺PCS同步構網、分鐘級電力恢復、抗100%變壓器投切沖擊、離網零電壓故障穿越等方面對關鍵構網技術進行了充分驗證。在紅海新城項目上積累的構網技術,正在向礦山、島嶼等微網場景推廣應用。采用光風儲融合構網技術來構建礦山微網,不僅大大提高供電可靠性,還可降低用電成本50%以上。當前,在非洲、拉美等地已完成交付10多個礦山、島嶼微網。未來,構網型微網技術將應用到全球更多地方,助力當地消除電力鴻溝。
聯合電網、發電企業共同推進構網型儲能實證
在國內,華為聯合電網、發電企業共同推進構網型儲能項目實證,已在青海等地的5個項目上,開展了多場景、多工況的構網型儲能實證測試,在項目測試的全面性、規模、測試的性能指標等方面均取得滿意成果。在單元級、電站級、區域電網仿真、離網等全場景開展了全面測試,針對構網技術關鍵指標完成超過2300多個測試項。在哈密的華潤電力風電站,處于直流特高壓線路送端,建設了百MWh風電站構網型儲能項目,并開展了全面、系統的構網技術測試。在青海格爾木中國綠發的多能互補百MWh構網型儲能電站,一次性通過了35kV、110kV人工短路試驗,結果顯示600臺PCS零脫網,10ms內快速輸出3倍視在電流和2.8倍不對稱電流,有效支撐電網電壓。在阿里藏開投光伏電站,高海拔、極弱電網環境下,建設了24MWh構網型儲能電站,一次性通過35kV人工短路試驗,實現PCS零脫網,10ms內快速輸出3倍視在電流,支撐功率平滑無波動,無恢復過電壓。
通過從多場站級自同步幅頻調制技術、寬頻自穩和致穩控制技術、新型智能組串式儲能雙級變換架構、構網型儲能功率模組和控制芯片等四個方面,對華為智能組串式構網型儲能技術進行了系統測試,從而驗證了高比例新能源多場景下對電力系統的支撐作用。2024年7月,在由中國電機工程學會組織的“適用于高比例新能源多場景的智能組串式構網型儲能系統關鍵技術及應用”技術鑒定會上,來自中國科學院、中國工程院的多位資深院士、國家電網等單位的十幾位專家組成的鑒定專家委員會一致認為,申請技術鑒定的項目針對高比例新能源背景下提升新型電力系統穩定水平與新能源并網消納的需求,實現了工程應用。項目整體處于國際領先水平。
構網技術的多場景推廣價值以及構網型儲能產業高質量發展的思考和建議
構網技術作為一種基于電力電子和數字化的創新技術,可在新型電力系統建設過程中,有效提升電力系統穩定性,具備多場景推廣價值:
● 在發電側,針對清潔能源基地,弱電網區域新能源集中接入場景,可以大大提升新能源場站主動支撐能力,實現更高比例新能源并網。
● 在電網側,針對特高壓線路受端,負荷中心電源空心化區域等場景,可以增強系統的靈活調節、可靠運行能力。
● 在用電側,針對電網末端源網荷儲、微電網供電區域,以及高原、礦山、島嶼,可以實現100%新能源區域電網以及并離網供電。
最后,為推進構網型儲能產業高質量發展,讓創新要素發揮更大的產業促進作用,侯金龍提出了三個方面的思考與建議,包括逐步擴大構網型儲能應用規模,在應用中成熟和完善;建立構網型儲能高質量標準體系;形成有利于構網型儲能高質量發展的市場機制。展望未來,華為數字能源將持續融合Bit(數字化技術)、Watt(電力電子技術)、Heat(熱管理技術)、Battery(儲能管理技術)等4T技術,提供高質量、高安全、高可靠的關鍵裝備,攜手客戶、伙伴積極推進構網型儲能產業高質量發展,為新型電力系統、新型能源體系的建設與發展貢獻華為力量!
華為持續投入新能源并網的安全穩定性研究,助力產業發展
從2011年起,華為一直壓強式投入新能源并網的安全穩定性研究,助力產業可持續發展,并在國內外多個場景和項目進行了應用。在中東,沙特紅海新城首期400MW光伏和1.3GWh儲能系統,全部采用華為智能組串式構網型儲能解決方案,從2023年9月全部投入運營,提供了超過10億度綠色電力,是全球首個100%可再生能源供電的城市微網。該項目已安全穩定運行一年,從1000臺PCS同步構網、分鐘級電力恢復、抗100%變壓器投切沖擊、離網零電壓故障穿越等方面對關鍵構網技術進行了充分驗證。在紅海新城項目上積累的構網技術,正在向礦山、島嶼等微網場景推廣應用。采用光風儲融合構網技術來構建礦山微網,不僅大大提高供電可靠性,還可降低用電成本50%以上。當前,在非洲、拉美等地已完成交付10多個礦山、島嶼微網。未來,構網型微網技術將應用到全球更多地方,助力當地消除電力鴻溝。
聯合電網、發電企業共同推進構網型儲能實證
在國內,華為聯合電網、發電企業共同推進構網型儲能項目實證,已在青海等地的5個項目上,開展了多場景、多工況的構網型儲能實證測試,在項目測試的全面性、規模、測試的性能指標等方面均取得滿意成果。在單元級、電站級、區域電網仿真、離網等全場景開展了全面測試,針對構網技術關鍵指標完成超過2300多個測試項。在哈密的華潤電力風電站,處于直流特高壓線路送端,建設了百MWh風電站構網型儲能項目,并開展了全面、系統的構網技術測試。在青海格爾木中國綠發的多能互補百MWh構網型儲能電站,一次性通過了35kV、110kV人工短路試驗,結果顯示600臺PCS零脫網,10ms內快速輸出3倍視在電流和2.8倍不對稱電流,有效支撐電網電壓。在阿里藏開投光伏電站,高海拔、極弱電網環境下,建設了24MWh構網型儲能電站,一次性通過35kV人工短路試驗,實現PCS零脫網,10ms內快速輸出3倍視在電流,支撐功率平滑無波動,無恢復過電壓。
通過從多場站級自同步幅頻調制技術、寬頻自穩和致穩控制技術、新型智能組串式儲能雙級變換架構、構網型儲能功率模組和控制芯片等四個方面,對華為智能組串式構網型儲能技術進行了系統測試,從而驗證了高比例新能源多場景下對電力系統的支撐作用。2024年7月,在由中國電機工程學會組織的“適用于高比例新能源多場景的智能組串式構網型儲能系統關鍵技術及應用”技術鑒定會上,來自中國科學院、中國工程院的多位資深院士、國家電網等單位的十幾位專家組成的鑒定專家委員會一致認為,申請技術鑒定的項目針對高比例新能源背景下提升新型電力系統穩定水平與新能源并網消納的需求,實現了工程應用。項目整體處于國際領先水平。
構網技術的多場景推廣價值以及構網型儲能產業高質量發展的思考和建議
構網技術作為一種基于電力電子和數字化的創新技術,可在新型電力系統建設過程中,有效提升電力系統穩定性,具備多場景推廣價值:
● 在發電側,針對清潔能源基地,弱電網區域新能源集中接入場景,可以大大提升新能源場站主動支撐能力,實現更高比例新能源并網。
● 在電網側,針對特高壓線路受端,負荷中心電源空心化區域等場景,可以增強系統的靈活調節、可靠運行能力。
● 在用電側,針對電網末端源網荷儲、微電網供電區域,以及高原、礦山、島嶼,可以實現100%新能源區域電網以及并離網供電。
最后,為推進構網型儲能產業高質量發展,讓創新要素發揮更大的產業促進作用,侯金龍提出了三個方面的思考與建議,包括逐步擴大構網型儲能應用規模,在應用中成熟和完善;建立構網型儲能高質量標準體系;形成有利于構網型儲能高質量發展的市場機制。展望未來,華為數字能源將持續融合Bit(數字化技術)、Watt(電力電子技術)、Heat(熱管理技術)、Battery(儲能管理技術)等4T技術,提供高質量、高安全、高可靠的關鍵裝備,攜手客戶、伙伴積極推進構網型儲能產業高質量發展,為新型電力系統、新型能源體系的建設與發展貢獻華為力量!
試的性能指標等方面均取得滿意成果。在單元級、電站級、區域電網仿真、離網等全場景開展了全面測試,針對構網技術關鍵指標完成超過2300多個測試項。在哈密的華潤電力風電站,處于直流特高壓線路送端,建設了百MWh風電站構網型儲能項目,并開展了全面、系統的構網技術測試。在青海格爾木中國綠發的多能互補百MWh構網型儲能電站,一次性通過了35kV、110kV人工短路試驗,結果顯示600臺PCS零脫網,10ms內快速輸出3倍視在電流和2.8倍不對稱電流,有效支撐電網電壓。在阿里藏開投光伏電站,高海拔、極弱電網環境下,建設了24MWh構網型儲能電站,一次性通過35kV人工短路試驗,實現PCS零脫網,10ms內快速輸出3倍視在電流,支撐功率平滑無波動,無恢復過電壓。
通過從多場站級自同步幅頻調制技術、寬頻自穩和致穩控制技術、新型智能組串式儲能雙級變換架構、構網型儲能功率模組和控制芯片等四個方面,對華為智能組串式構網型儲能技術進行了系統測試,從而驗證了高比例新能源多場景下對電力系統的支撐作用。2024年7月,在由中國電機工程學會組織的“適用于高比例新能源多場景的智能組串式構網型儲能系統關鍵技術及應用”技術鑒定會上,來自中國科學院、中國工程院的多位資深院士、國家電網等單位的十幾位專家組成的鑒定專家委員會一致認為,申請技術鑒定的項目針對高比例新能源背景下提升新型電力系統穩定水平與新能源并網消納的需求,實現了工程應用。項目整體處于國際領先水平。
構網技術的多場景推廣價值以及構網型儲能產業高質量發展的思考和建議
構網技術作為一種基于電力電子和數字化的創新技術,可在新型電力系統建設過程中,有效提升電力系統穩定性,具備多場景推廣價值:
● 在發電側,針對清潔能源基地,弱電網區域新能源集中接入場景,可以大大提升新能源場站主動支撐能力,實現更高比例新能源并網。
● 在電網側,針對特高壓線路受端,負荷中心電源空心化區域等場景,可以增強系統的靈活調節、可靠運行能力。
● 在用電側,針對電網末端源網荷儲、微電網供電區域,以及高原、礦山、島嶼,可以實現100%新能源區域電網以及并離網供電。
最后,為推進構網型儲能產業高質量發展,讓創新要素發揮更大的產業促進作用,侯金龍提出了三個方面的思考與建議,包括逐步擴大構網型儲能應用規模,在應用中成熟和完善;建立構網型儲能高質量標準體系;形成有利于構網型儲能高質量發展的市場機制。展望未來,華為數字能源將持續融合Bit(數字化技術)、Watt(電力電子技術)、Heat(熱管理技術)、Battery(儲能管理技術)等4T技術,提供高質量、高安全、高可靠的關鍵裝備,攜手客戶、伙伴積極推進構網型儲能產業高質量發展,為新型電力系統、新型能源體系的建設與發展貢獻華為力量!
構網技術的多場景推廣價值以及構網型儲能產業高質量發展的思考和建議
構網技術作為一種基于電力電子和數字化的創新技術,可在新型電力系統建設過程中,有效提升電力系統穩定性,具備多場景推廣價值:
● 在發電側,針對清潔能源基地,弱電網區域新能源集中接入場景,可以大大提升新能源場站主動支撐能力,實現更高比例新能源并網。
● 在電網側,針對特高壓線路受端,負荷中心電源空心化區域等場景,可以增強系統的靈活調節、可靠運行能力。
● 在用電側,針對電網末端源網荷儲、微電網供電區域,以及高原、礦山、島嶼,可以實現100%新能源區域電網以及并離網供電。
最后,為推進構網型儲能產業高質量發展,讓創新要素發揮更大的產業促進作用,侯金龍提出了三個方面的思考與建議,包括逐步擴大構網型儲能應用規模,在應用中成熟和完善;建立構網型儲能高質量標準體系;形成有利于構網型儲能高質量發展的市場機制。展望未來,華為數字能源將持續融合Bit(數字化技術)、Watt(電力電子技術)、Heat(熱管理技術)、Battery(儲能管理技術)等4T技術,提供高質量、高安全、高可靠的關鍵裝備,攜手客戶、伙伴積極推進構網型儲能產業高質量發展,為新型電力系統、新型能源體系的建設與發展貢獻華為力量!
展會時間:2025年03月10日---03月12日
展會地點:上海世博展覽館 上海市浦東新區國展路1099號
主辦單位:新之聯伊麗斯(上海)展覽有限公司
會議背景
上海國際增材制造應用技術展覽會(AM?China)以“應用需求”為導向,匯聚全球增材制造行業的優秀企業,為航空航天、汽車工業、船舶制造、軌道交通、電子電器、模具制造、醫療健康、文化創意、教育科研、建筑裝飾……等行業用戶提供定制化的解決方案和專業服務。
以展聚力,以會謀機。展會和論壇秉承“專業化、市場化、國際化”理念,以創新成果樹立行業標桿、以龍頭企業引領行業趨勢、以豐富活動推升行業熱度、以深度交流落實辦會宗旨,由一場高規格的開幕活動、多場高水平的同期活動組成,以創新鏈、產業鏈、資金鏈、人才鏈構建增材制造產業生態,貫穿增材制造產業全生命周期,覆蓋上游、中游、下游的“全品類、全鏈條”,多維度呈現增材制造產業全景圖譜。亮點紛呈,不容錯過!
郵箱:hycydt123@163.com
地址:山西省陽泉市礦區桃北西街2號
高? ? 杰? ? ? ?楊曉成? ? ? ?周曉輝? ? ? 劉志平
張? ? 靜? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?馬曉璐
郵箱:hycydt123@163.com
地址:山西省陽泉市礦區桃北西街2號
高? ? 杰? ? ? ?楊曉成? ? ? ?周曉輝? ? ? 劉志平
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