由于大氣臭氧層對波長小于280 nm的太陽紫外光具有強烈吸收作用，使得地表在該波段的背景輻射信號幾乎為零，因而該波段被稱為“日盲”區(qū)。在此波段工作的紫外光電探測器具有低背景噪聲、高靈敏度和低誤警率等優(yōu)勢，廣泛應用于火焰監(jiān)測、航空航天、工業(yè)控制和環(huán)境檢測等關鍵領域。理想的日盲探測器不僅需具備優(yōu)異的光譜選擇性，還必須能夠在高溫等極端環(huán)境中穩(wěn)定運行。然而，現有主流商用的硅基紫外探測器在125?°C以上環(huán)境中性能急劇下降，嚴重制約了其在高溫場景下的應用拓展。相比之下，金剛石因其卓越的熱導率、寬禁帶、高擊穿電場和化學穩(wěn)定性，被視為極端條件下高性能光電器件的理想材料。但在高溫條件下，金剛石表面易形成具有大量表面態(tài)缺陷的氧終端結構，從而劣化器件在極端環(huán)境下的光電探測性能。
針對上述挑戰(zhàn)，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心孫東明課題組和黃楠課題組合作，提出一種內嵌鉑納米顆粒的單晶金剛石納米線結構，有效提升了金剛石在高溫環(huán)境中的日盲紫外光電探測性能。該結構融合了一維納米線的優(yōu)異載流子輸運能力、鉑納米顆粒的局域表面等離子體共振效應、鉑/金剛石界面的局域肖特基勢壘，以及高溫下深能級陷阱誘發(fā)的光電增益機制，在提升光吸收、載流子產生與分離效率方面展現出顯著優(yōu)勢，從而大幅提升了氧化終端金剛石在高溫下的光電響應能力。相關研究成果以題為《Single-Crystal Diamond Nanowires Embedded with Platinum Nanoparticles for High-Temperature Solar-Blind Photodetector》（用于高溫日盲光電探測器的內嵌鉑納米顆粒的單晶金剛石納米線），于2025年4月16日發(fā)表在權威期刊《Nano-Micro Letters》上。
在具體研究中，科研人員通過熱氧化處理[001]擇優(yōu)取向的微米/納米金剛石復合薄膜，再經鉑薄膜沉積、退火誘導去濕化及外延同質生長等工藝，成功獲得內嵌鉑納米顆粒的高結晶質量單晶金剛石納米線（圖1、圖2）。在20 V偏壓和220 nm波長紫外光照條件下，基于該材料構建的器件響應度達到68.5 A/W，較傳統(tǒng)氧終端塊體金剛石器件提高約2000倍，紫外/可見光抑制比達550（圖3）。更為顯著的是，當工作溫度提升至275?°C時，器件的220 nm響應度躍升至3098.7 A/W，紫外/可見抑制比高達4303，且表現出良好的穩(wěn)定性和可重復性（圖4）。
該研究首次從金剛石納米線材料設計層面實現了金剛石日盲紫外探測器在高溫條件下性能的顯著突破，驗證了內嵌金屬納米結構對提高氧終端金剛石光電性能的有效性，為極端環(huán)境下的高性能紫外探測器開發(fā)提供了全新的設計思路與實驗依據。
論文的第一作者為金屬研究所博士研究生盧嘉琪，通訊作者為楊兵項目研究員與孫東明研究員。成會明院士和德國錫根大學的姜辛教授也對研究工作進行了重要指導。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃及遼寧省自然科學基金等項目的資助。
圖1. 內嵌鉑納米顆粒單晶金剛石納米線的制備
圖2. 單晶金剛石納米線微結構表征
圖3. 單晶金剛石納米線光電探測器的室溫日盲紫外光電探測性能
圖4. 單晶金剛石納米線光電探測器的高溫日盲紫外光電探測性能
（來源：中國科學院金屬研究所）
