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       在瑞士日内瓦举行的第50届国际发明展上，哈尔滨工业大学光电薄膜与晶体团队研发的“金刚石同位素电池技术”荣获评审团特别嘉许金奖。这一奖项被誉为“金奖中的金奖”，需要全票通过才能获得，含金量极高。

       此次获奖项目聚焦于金刚石同位素电池的性能优化。团队提出在金刚石肖特基二极管结构中引入超薄TiO₂层的新策略，有效提升了界面势垒高度，改善了辐射伏特效应的能量转换效率。实验结果显示，改进后的电池在镅-241和氘灯辐照下分别实现了1.7 V和1.8 V的高开路电压，短路电流密度也显著提升，整体性能远超传统器件。

       相关成果以 “Enhancement of open circuit voltage of diamond voltaic battery by surface passivation” 为题，发表于核科学与技术领域国际权威期刊《IEEE Transactions on Nuclear Science》。论文由哈工大航天学院左义勇、李传龙为共同第一作者，刘本建副教授为通讯作者。这一突破不仅刷新了金刚石能量转换器的性能纪录，也为未来的航天器、MEMS器件及自供电传感器等应用开辟了新方向。

       金刚石基核电池凭借其超长寿命、无需维护、环境适应性强等优势，被认为是MEMS器件、航天探测器、深海作业设备以及医疗植入器件（如心脏起搏器）的理想能源解决方案。然而，由于器件界面势垒高度不足，长期以来其性能提升受限。此次研究通过TiO₂钝化策略显著突破了这一瓶颈，为未来高性能α/β辐射伏特电池的设计提供了新的思路。

       这一成果不仅具有学术价值，更对行业应用前景意义重大。随着MPCVD等合成技术的持续进步，金刚石电池有望在未来承担更多关键任务，成为下一代长寿命电源的重要支撑。

       图文导读

       图1(a)为两种金刚石肖特基功率转换器的器件结构图。图1(b)为金刚石本征层的拉曼光谱(800至3500cm-1)，在1333cm-1处为金刚石峰。使用洛伦兹函数拟合金刚石峰，得到1.7cm-1的半峰宽，表明外延层的晶体质量优异。

图1 (a)金刚石肖特基功率转换器的结构图：有TiO2(顶部),没有TiO2(底部)  (b)金刚石外延层的拉曼光谱

       图2(a)为金刚石基底上TiO2薄膜的SEM图像，TiO2晶粒尺寸分布在30至100nm范围内。EDS光谱分析进一步证实了薄膜中O和Ti元素的存在。紫外-可见漫反射光谱测试结果显示，该TiO2薄膜在光波长大于400nm时透射率高达90%，而在约300nm波长附近出现显著衰减。通过(ahv)1/2光子能量图计算得出其光学带隙约为3eV。全XPS光谱分析同样检测到O和Ti元素的特征信号。为进一步探究薄膜中Ti和O的键合状态及化学价态，对Ti2p和O1s精细谱进行了深入分析。图2(e)为Ti2p精细谱，其中Ti2p3/2 和 Ti2p1/2双峰对应其核心能级结合能，两峰间距为5.67eV，表明薄膜中Ti主要以Ti4+氧化态存在。图2(f)为O1s精细谱，结果显示两个主要峰：530.05eV处的峰归属于TiO₂晶格中的氧原子，532.04eV处的峰则与羟基(-OH)相关，与射频磁控溅射(RFMS)制备的TiO2薄膜XPS分析中的特征相似。通过拟合Ti和O的峰面积计算得到薄膜中TiO2的O/Ti原子比为1.92(略低于理论值2:1)，表明薄膜中存在氧空位缺陷。

图2 (a)金刚石基底上TiO2层的SEM图像(插图：TiO2的EDS光谱，比例尺为200nm.)（b）沉积在石英基底上的TiO2薄膜的UV-vis透射光谱 (c)吸收系数与光子能量的关系 (d)金刚石上TiO2薄膜的完整XPS光谱。金刚石表面TiO2薄膜Ti2p (e)和O1s(f)的光谱

       图3(a)展示了有无TiO2器件的暗电流特性。两类器件均表现出优异的整流特性，在±8 V偏压下的整流比分别高达2×107和108。图3(b)为图3(a)中暗电流曲线的微分电阻曲线，结果显示：两种器件的具体分流电阻均超过2×1010W·cm2，其中含TiO2器件的串联电阻为207Ω·cm2，略高于不含TiO2的传统肖特基二极管的59Ω·cm2。图3(c)为暗电流的半对数坐标曲线，正向偏置区不同斜率的观测表明器件存在不同的势垒高度。图3(d)为含/不含TiO2层α辐射伏特效应电池的电流-电压曲线，可见引入薄TiO2层后，短路电流密度(Jsc)和开路电压(Voc)分别从4.23nA/cm2、0.8V提升至8.12nA/cm2、1.7V，Jsc和Voc的比值分别为1.92和2.1。图3(e)显示，无TiO2器件的最大输出功率密度(Pm)为1.85nW/cm2，含TiO2器件则提升至7.06nW/cm2。图3(f)展示了含TiO2器件的光电流-电压曲线(Voc=1.8V，Isc=432.54nA)，进一步验证了其高开路电压与短路电流特性。该器件的暗电流仅0.425pA，对应1.5×106的信噪比(SNR)，在自供电紫外检测应用中展现出巨大潜力。

图3 (a)线性坐标系中有/无TiO2的金刚石肖特基二极管的暗电流曲线 (b)(a)中暗电流的微分电阻 (c)半对数坐标系中的暗电流曲线 (d)装置的阿尔法辐射伏特效应电流-电压曲线 (e)Am-241照射下的输出功率密度曲线 (f)TiO2钝化装置的光伏曲线和输出功率曲线

       图4则展示了含TiO2与不含TiO2的辐射伏特效应器件能带结构对比。综合来看，TiO2层通过抑制MIGS效应、钝化表面缺陷，不仅提升了肖特基势垒高度，还显著降低了界面损耗。此外，其在界面处构建的高空穴势垒进一步抑制了扩散损耗与热电子发射损耗，这也正是TiO2钝化器件表现出更高开路电压(Voc)和短路电流(Jsc)的关键原因。

图4 无(a)和有(b)TiO2的辐射伏特效应器件的能带图