2024年3月，俄羅斯科學院列別捷夫物理研究所（Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences）、斯科爾科沃科學技術研究院（Skoltech）等聯合研究團隊發表一項研究，通過金屬鈮使金剛石金屬化，來提高金剛石和過渡金屬之間的附著力。當鈮在金剛石表面形成碳化鈮膜后，具有超導特性。這種金剛石膜在未來科學技術領域，尤其是單光子探測器方面很有前景，將可能制備出高熱導率的超靈敏量子檢測設備。

       相關研究成果以“Synthesis and characterization of niobium carbide thin films on diamond surface for superconductive application”為題發表于Journal of Alloys and Compounds期刊上。   

       金剛石，兩個局限性

       金剛石不僅可以閃耀的珠寶，在工業領域也大有可為。

       金剛石由于具有極高的硬度、良好的耐磨性和光電熱等特性，廣泛應用于磨料磨具、光學器件、新能源汽車和電子封裝等領域。

       “不過，金剛石有兩個局限性，一是大尺寸金剛石襯底的合成，二是金屬觸點與金剛石表面的附著力差”，研究人員Stanislav Evlashin在媒體聲明中說到，“當我們研究電離輻射探測器，用金或者其他材料制成觸點時，這種觸點與金剛石的附著力非常差。當時，我們就想知道如何克服這種附著力差的問題”。

       在實際應用中，由于金剛石表面惰性強，與很多物質結合困難，制約了其應用與推廣。金剛石表面金屬化則是最有效方法之一，它可以賦予金剛石表面新的特性，例如優異的導熱性、良好的熱穩定性、改善的潤濕性以及其原有的物理和化學性能。

       目前，金剛石表面鍍層使用的金屬材料是鈦、鉻、鉭、鋯等金屬。當它們與碳原子相互作用時，會形成一層金屬碳化物。而該研究的作者們選擇金屬鈮。

       鈮作為過渡金屬，常溫下，不與空氣發生反應，在氧氣中紅熱時也不會被完全氧化，在高溫下能與硫、氮、碳直接化合。它也能夠在金剛石表面形成化學穩定的碳化鈮膜 (NbxCy)。這也是該研究團隊選擇的原因之一。

       通常，碳化鈮薄膜可以通過反應磁控濺射、熱反應擴散、化學溶液和聚合物沉積等方法獲得。但由于 Nb 的熔點極高（2751 K）且與化學計量組成存在顯著偏差，合成碳化鈮薄膜仍然是一項挑戰。合成混合物中碳的缺乏或過量會導致碳空位或無定形碳過量，從而相應地降低此類碳化物的各種性能。因此，達到 NbC 的化學計量完美性是改善所得薄膜導電性能的重要任務。   

       在金剛石表面制造超導體

       研究人員通過磁控濺射將鈮沉積在金剛石表面，并在真空中退火以形成 NbC。并嘗試在金剛石表面制造超導體。通過對碳化鈮的晶格常數隨碳缺陷濃度變化的理論計算表明，所獲得的碳化鈮層具有超導特性。
       “我們嘗試在金剛石表面制造超導體，并意識到如果我們在金剛石表面沉積鈮，然后對其進行退火，退火過程中會發生以下相變：鈮膜在加熱后會變成Nb?C化合物，在進一步加熱到1200℃以上會變成NbC。”Evlashin說道。

       該研究的共同作者，能源轉型中心教授Alexander Kvashnin補充說到，“對碳化鈮超導特性的計算表明，在19.4 K的溫度下發生了超導轉變，這與實驗測量值非常接近，”Kvashnin 說道。

       值得注意的是，與其他鈮基合金相比，該實驗獲得的碳化鈮薄膜質量很高。根據碳缺陷濃度，對碳化鈮晶格常數的理論計算表明，在金剛石上合成碳化鈮的方法可以獲得高質量的碳化鈮，其晶格參數接近無缺陷材料。

       “碳化鈮薄膜中缺陷濃度較低，從而使電子擴散值足夠高，這一點，加上觀察到的超導特性，對于量子檢測設備具有實際意義。”莫斯科國立師范大學的研究科學家Anna Kolbatova表示，“將具有超導特性的碳化鈮膜涂在金剛石表面，則有可能利用其高導熱性制造出超靈敏探測器。金剛石的高導熱性將有助于檢測信號——這比其他材料檢測速度快得多。”

       該研究為金剛石金屬化問題提供了解決方案，即在金剛石表面形成化學計量完美的 NbC 薄膜。通過磁控濺射將鈮沉積在金剛石表面，并在真空中退火以在不同溫度下形成 NbC。金剛石上的這種薄膜在各個科學技術領域，尤其是單光子探測器方面都有很大的應用前景。

       這項研究涉及兩個項目。第一個項目是“研究合金元素對納米結構碳材料電化學特性的影響，以創建有前途的電流源”，旨在獲得可用于創建新一代電化學源的結果。第二個項目是“基于二維范德華結構的新一代量子探測器和單光子源”，旨在開發超越傳統量子探測設備的量子探測設備。

       DOI ：10.1016/j.jallcom.2023.173266