在材料科學的領域，金剛石被認為(wei)是一種非常特殊的(de)材(cai)料。它不僅因其出色(se)的(de)硬度和(he)光學(xue)透(tou)明性(xing)(xing)而聞名，還因其在(zai)電子學(xue)和(he)量子技(ji)術(shu)中的(de)潛在(zai)應用(yong)而受到(dao)越來(lai)越多的(de)關(guan)注。最近(jin)，一項突(tu)破性(xing)(xing)的(de)研究發(fa)現(xian)(xian)，通過對金剛(gang)石(shi)進(jin)行(xing)摻硼處理，可(ke)以誘發(fa)一種新(xin)的(de)光學(xue)現(xian)(xian)象(xiang)——間(jian)價等離子體（Intervalence Plasmons，IVPs）。這(zhe)種現(xian)(xian)象(xiang)為(wei)金剛(gang)石(shi)的(de)進(jin)一步(bu)應用(yong)，尤(you)其是在(zai)量子信息技(ji)術(shu)中的(de)應用(yong)，提(ti)供(gong)了(le)新(xin)的(de)可(ke)能性(xing)(xing)。

        什么是間價等離子體？

        首先(xian)需(xu)要了解什么是(shi)等(deng)離子體。等(deng)離子體是(shi)一種(zhong)(zhong)電(dian)(dian)子的(de)集體振蕩現(xian)(xian)象(xiang)，通常出現(xian)(xian)在金屬或某些半導(dao)體中。當這些材料中的(de)自由電(dian)(dian)子響(xiang)應外部(bu)電(dian)(dian)場(chang)時，電(dian)(dian)子的(de)集體運動會產生一種(zhong)(zhong)特殊(shu)的(de)光學響(xiang)應。這種(zhong)(zhong)響(xiang)應通常表(biao)現(xian)(xian)為材料表(biao)面或界面處(chu)的(de)電(dian)(dian)磁波(bo)，這就是(shi)我們(men)通常說的(de)表(biao)面等(deng)離子體。

        間(jian)價(jia)等離(li)子體是(shi)一(yi)種特(te)殊(shu)類型的(de)(de)(de)等離(li)子體，它發生在(zai)材料的(de)(de)(de)價(jia)帶(dai)內部。通常，等離(li)子體的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)需(xu)要自由(you)電子或者(zhe)導電電子，但間(jian)價(jia)等離(li)子體的(de)(de)(de)形(xing)成(cheng)并不(bu)是(shi)因為(wei)這些(xie)自由(you)電子，而是(shi)由(you)于摻硼產生的(de)(de)(de)“孔(kong)”（電子缺失的(de)(de)(de)位置）。這些(xie)孔(kong)使得電子能夠在(zai)金剛石的(de)(de)(de)不(bu)同子帶(dai)之(zhi)間(jian)進行過(guo)渡，從(cong)而產生一(yi)種特(te)殊(shu)的(de)(de)(de)集體電子激發現象。

        金剛石的變化

        金剛(gang)石是一(yi)(yi)種寬帶(dai)(dai)隙半(ban)導(dao)體(ti)，通(tong)常不具(ju)備自由(you)電子(zi)，因此它本身(shen)是一(yi)(yi)個(ge)良好(hao)的絕緣體(ti)。然而，通(tong)過摻入(ru)硼(peng)(peng)元素(su)，我們可(ke)以在(zai)鉆石中引入(ru)“孔(kong)”，從(cong)而改變其電子(zi)結構。硼(peng)(peng)原子(zi)在(zai)金剛(gang)石的晶格中起到接受電子(zi)的作(zuo)用(yong)，它們創建了一(yi)(yi)個(ge)空(kong)穴帶(dai)(dai)，允許(xu)電子(zi)從(cong)價帶(dai)(dai)躍遷到這個(ge)空(kong)穴帶(dai)(dai)，形成孔(kong)。

        這種孔的(de)存在(zai)為金剛石(shi)的(de)電(dian)子結(jie)構(gou)開辟(pi)了(le)新的(de)通(tong)道，特別是在(zai)較高(gao)濃度(du)的(de)硼摻雜下，電(dian)子開始在(zai)價帶內部(bu)進行(xing)躍遷(qian)，這些(xie)躍遷(qian)就形成(cheng)了(le)間價帶過(guo)渡（IVB）。這些(xie)IVB過(guo)渡不(bu)僅改變了(le)金剛石(shi)的(de)電(dian)子屬(shu)性，還(huan)提供了(le)觀(guan)察(cha)等(deng)離子體的(de)機會。

        為了(le)驗(yan)證這一理論，研究人員采用了(le)多種實驗(yan)方法，包括(kuo)掃描(miao)透射(she)電(dian)子顯微鏡-價電(dian)子損失譜(pu)和近場紅外(wai)光譜(pu)。這些技(ji)術能夠(gou)探(tan)測到低(di)能量(liang)的電(dian)子激發，這正是由間價帶過(guo)渡所引起的。

        在實(shi)驗中，研究人員(yuan)發現，摻硼(peng)金(jin)剛石顯示出明顯的(de)(de)間(jian)價等離(li)子體(ti)響(xiang)應(ying)，而(er)未摻硼(peng)的(de)(de)金(jin)剛石則沒有(you)這種(zhong)現象。具體(ti)來說，他們在金(jin)剛石樣(yang)品中觀察到(dao)一個能量為(wei)0.1到(dao)0.3電(dian)(dian)(dian)子伏特(te)的(de)(de)不可逆(ni)電(dian)(dian)(dian)子激發信(xin)號。這一信(xin)號與傳(chuan)統(tong)的(de)(de)金(jin)屬等離(li)子體(ti)不同，它并(bing)不是(shi)由自由電(dian)(dian)(dian)子引起的(de)(de)，而(er)是(shi)由于價帶中的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子跳躍導(dao)致(zhi)的(de)(de)。

        為了深(shen)入理解這(zhe)些實驗(yan)結果，研究人員還建立了第(di)一性原理模(mo)型，通過模(mo)擬摻(chan)硼金剛(gang)石的(de)復雜介(jie)電(dian)函數，進一步解釋了間價等(deng)離子體的(de)形(xing)成。計(ji)算(suan)結果與(yu)實驗(yan)數據相符，表明(ming)在摻(chan)硼金剛(gang)石中(zhong)，電(dian)子的(de)躍遷確(que)實能夠引(yin)發類(lei)似等(deng)離子體的(de)響應。

        通過這一模型，研究人員還發現，摻硼金剛石的(de)(de)介(jie)電(dian)函數(shu)表(biao)現出明顯的(de)(de)金屬(shu)化特征。這意味著，隨著摻硼濃度的(de)(de)增加(jia)，金剛石的(de)(de)光(guang)學(xue)和電(dian)子(zi)特性會變得更加(jia)接近金屬(shu)材料，這也為金剛石在光(guang)電(dian)子(zi)學(xue)中的(de)(de)應用提(ti)供了新的(de)(de)可能(neng)性。

      間價等離子體的應用前景

        間(jian)價(jia)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)的(de)(de)發現不僅為(wei)金(jin)(jin)剛石的(de)(de)基礎研究提(ti)供了(le)(le)新的(de)(de)視角(jiao)，還為(wei)其(qi)在高科(ke)技領(ling)域的(de)(de)應(ying)用開辟(pi)了(le)(le)新天地(di)。金(jin)(jin)剛石在量子(zi)計算和量子(zi)通信(xin)中的(de)(de)應(ying)用潛力巨大，尤其(qi)是在量子(zi)點缺陷和光子(zi)學(xue)(xue)方(fang)面。間(jian)價(jia)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)可(ke)能(neng)(neng)會(hui)與金(jin)(jin)剛石中的(de)(de)量子(zi)缺陷合(he)作，增強其(qi)光學(xue)(xue)發射(she)性能(neng)(neng)和量子(zi)信(xin)息處理能(neng)(neng)力。

        此外(wai)，金剛(gang)石(shi)的熱導率極高(gao)，能(neng)夠有效散熱，這(zhe)使得(de)它在高(gao)功率電(dian)子(zi)(zi)設(she)備中的應(ying)用前景更加廣闊。通(tong)過(guo)調(diao)節金剛(gang)石(shi)中的摻硼濃度，研究人(ren)員或許(xu)能(neng)夠制造出既具有優異熱導性，又具備等離(li)子(zi)(zi)體行為的材料，為下一代高(gao)效電(dian)子(zi)(zi)器件的設(she)計提供支持。

        總結

        總的(de)來(lai)說，摻硼(peng)金剛石中的(de)間價等離子(zi)(zi)體現象為(wei)我們(men)提供了(le)一種全新(xin)的(de)方式來(lai)調(diao)節和(he)利用金剛石的(de)電(dian)子(zi)(zi)性(xing)質。通過精確控(kong)制摻硼(peng)的(de)濃度，科學(xue)家(jia)們(men)能夠調(diao)節金剛石的(de)光學(xue)和(he)電(dian)子(zi)(zi)行為(wei)，使其在未來(lai)的(de)量子(zi)(zi)技術、光電(dian)子(zi)(zi)學(xue)和(he)高效電(dian)子(zi)(zi)器(qi)件中扮演更(geng)加重(zhong)要的(de)角色。

        這一(yi)(yi)發(fa)現不僅(jin)為我們提供(gong)(gong)了(le)新(xin)的材(cai)料(liao)設計思路，也為未來金(jin)剛石(shi)(shi)材(cai)料(liao)的實際(ji)應(ying)用提供(gong)(gong)了(le)更(geng)多的可能性。隨著摻硼(peng)技(ji)(ji)術的進(jin)一(yi)(yi)步發(fa)展，金(jin)剛石(shi)(shi)在現代科(ke)(ke)技(ji)(ji)中的應(ying)用范圍可能會大(da)大(da)擴展，成為一(yi)(yi)種關鍵材(cai)料(liao)，推動多個前沿科(ke)(ke)技(ji)(ji)領域的進(jin)步。

        原(yuan)文：Bhattacharya, S., Boyd, J., Reichardt, S. et al. Intervalence plasmons in boron-doped diamond. Nat Commun 16, 444 (2025). //doi.org/10.1038/s41467-024-55353-0