以垂直纳米金刚石为主的薄片，兼具高电容和高n型霍尔迁移率

为电子器件赋能的金刚石

大多数人把金刚石视为宝石，但这项研究探讨了金刚石如何有助于制造更快、更高效的电子器件和更好的能量存储装置。研究者展示了如何将脆弱的直立碳薄片转化为垂直纳米金刚石结构，这些结构既能存储大量电荷，又能让电子高速移动——这两种特性很少同时存在于同一材料中。这类新材料未来可能提升超级电容器、传感器和支撑从手机到电网的高频电子器件的性能。

为何更好的电极很重要

现代电子和能量存储系统依赖电极——负责移动和存储电荷的部件。传统电极材料包括各种碳态、金属氧化物和导电高分子，每种材料在比表面积、稳定性和电荷传输速度等属性之间相互权衡。金刚石非常坚固、耐高温，但在天然形态下几乎不导电。多年来，科学家学会通过掺硼或掺氮，或将金刚石与其他碳结构混合来“激活”它们。这些方法要么提高了可存储的电荷量，要么提高了电子移动速度，但很少能同时做到两者。挑战在于设计出一种既具有极大表面积又具有优异电子迁移率的金刚石基结构。

从石墨烯薄片到纳米金刚石森林

团队以垂直石墨烯薄片为起点——这些是通过专门的热丝生长工艺在微小球形颗粒上生长的薄而直立的碳层。这些结构本身已经提供了高比表面积，类似一片由柔性叶片组成的密集森林。该工作的新意在于向体系中引入单个钽原子，然后将石墨烯暴露于含有氩气和受控少量氧的微波等离子体中。通过将氧分数从2%调节到20%，研究者能够逐步蚀刻石墨烯层并促使碳重组为纳米晶金刚石。在低氧含量下，薄片大多仍为石墨烯，仅有微量纳米金刚石颗粒。随着氧含量升高，出现了由紧密堆积的纳米金刚石晶粒组成的连续垂直薄片，形成作者称之为垂直纳米金刚石主导的薄片。

寻找性能的最佳点

为了评估结构如何影响性能，研究者测量了电荷存储（电容）和电子沿薄片横向运动的难易程度（霍尔迁移率）。未经处理的垂直石墨烯样品储存了大量电荷但电子移动缓慢。经轻微含氧等离子体处理后，石墨烯被变薄并引入了更多纳米金刚石晶粒，这降低了电容，并在某些情况下也降低了迁移率。值得注意的是，当氧分数达到约10%时，材料性质发生了显著变化：垂直薄片几乎完全由微小金刚石晶粒构成，晶界处由链状碳段连接。在这种状态下，电极同时展现出很高的电容和异常高的n型霍尔迁移率，其性能超过了许多先前报道的通常只在某一项指标上表现优异的碳基电极。

材料内部发生了什么

显微镜和光散射测量揭示了这些性能提升的来源。在原始富石墨烯的薄片中，许多堆叠层和缺陷会散射电子，使其变慢，尽管表面积充足以存储电荷。随着氧等离子体蚀刻石墨烯并在钽原子触发下引发相变，结构转变为密集排列的纳米金刚石晶粒阵列。在中等氧含量下，晶粒保持非常小并由充满类似反式聚乙炔的碳链的晶界分隔。这些晶界既增加了离子吸附位点，又作为让电子高效通过材料的“高速公路”。当氧含量超过这一最佳点，金刚石晶粒长大且边界碳链数量减少，因此尽管电子迁移率仍高，可用于存储电荷的位置变少，电容下降。

面向未来能源与电子的金刚石

通俗地说，研究者发现了一种通过可控等离子体处理将垂直石墨烯转化为“金刚石森林”的方法，该结构既能致密地存储电荷，又能让电子快速通过。通过精确调节氧含量，他们创造出一种微小金刚石晶粒与晶界处碳链协同工作的结构，而非相互抵触。这种优化的垂直纳米金刚石材料有望成为下一代超级电容器、灵敏探测器和需要快速响应与长期稳定性的高功率电子器件的有前景的构件。

引用: Gong, Y., Zhang, Z., Jiang, M. et al. Vertical nanodiamond dominated sheets possessing both high capacitance and high n-type Hall mobility. Nat Commun 17, 3296 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70089-9

关键词: 纳米金刚石电极, 石墨烯到金刚石的相变, 超级电容器材料, 高迁移率碳薄膜, 氩氧等离子体处理