盖世汽车讯 据外媒报道，莱斯大学（Rice University）的材料科学家开发出一种新的工作流程，用于测量金刚石及其他先进半导体材料中的微观缺陷。该方法能更轻松地发现那些会削弱性能的缺陷，从而有望加速更可靠的电子和量子器件的研发进程。

图片来源：莱斯大学

研究团队开发了一款基于Python的定制软件工具，用于快速分析高分辨率X射线衍射数据——这是一种利用X射线探测材料内部晶体结构的技术。该软件能够分析生成的衍射图样，识别原子晶格中的位错与不规则结构，并计算出这些缺陷在特定材料中的密度。

“位错会干扰电荷和热量在材料中的传输，进而影响器件的效率、可靠性以及大规模制造的难易程度，”莱斯大学材料科学与纳米工程系助理研究教授、发表于期刊《先进材料》（Advanced Materials）的这项研究的通讯作者Xiang Zhang表示。

这一新框架特别适用于测量金刚石及其他宽禁带半导体中的位错密度。与硅相比，这类材料能够承受更高的热负荷与电应力，因此在电动汽车动力系统、电网基础设施、先进通信设备及量子技术等应用领域极具吸引力。

金刚石是最具潜力的高禁带宽度半导体材料之一。随着高质量人造金刚石制备技术的进步，它已日益成为下一代技术应用的首选材料。

“金刚石正逐渐成为未来大功率电子器件、射频通信及量子技术领域的关键材料，因为它比许多传统半导体更能耐受高温及极端电学条件，”该研究的第一作者、莱斯大学博士毕业生Tia Gray表示。“然而，其性能在很大程度上取决于晶体质量。”

对于制造商和研究人员而言，测量晶体质量始终是一项持久的挑战。现有的方法往往耗时较长、难以规模化应用，或者依赖于劳动密集型的分析工作。尽管基于X射线的方法已广泛应用于其他半导体材料，但将其应用于金刚石却更为困难，因为金刚石的晶体结构和缺陷行为与那些更常被研究的材料截然不同。

为了验证这一新框架，研究人员分析了四种市售等级的单晶金刚石，这些样品预期的晶体质量各不相同。该自动化工作流程能够清晰地分辨出这些材料之间的差异，结果显示电子级金刚石的缺陷密度最低且晶体质量最均匀；而异质外延金刚石（即在非金刚石衬底上生长的金刚石）则表现出最高的缺陷密度和最严重的结构无序性。

用于验证结果的不同技术显示出一致的趋势，证实了该方法的可靠性。

该团队还将这一工作流程应用于氮化镓——另一种用于电力电子和射频器件的先进半导体材料——从而证明了该方法适用于不同的晶体结构和生长平台。

研究人员计划继续完善该方法，并扩大其可分析的材料及缺陷类型范围。

“通过提高缺陷评估的速度与可重复性，并降低对人工分析的依赖，该方法为改进用于下一代电子和量子器件的金刚石材料提供了一条切实可行的途径，”莱斯大学工程学Benjamin M. 和 Mary Greenwood Anderson讲席教授、材料科学与纳米工程教授、该研究的共同通讯作者Pulickel Ajayan说道。