研究背景

在“雙碳”目標與新一代信息技術自主可控的國家戰略驅動下，高功率、高頻率電子器件對超寬禁帶半導體材料提出迫切需求。金剛石憑借超高擊穿場強（5–10 MV/cm）、優異熱導率（~2000 W/m·K）和高載流子遷移率，被視為下一代高功率電子器件的理想候選材料，其發展已被納入多個國家研發計劃和半導體前沿布局。然而金剛石器件在實際應用中仍面臨嚴峻可靠性挑戰——在極端電場下易發生電擊穿失效，嚴重制約其工程化與產業化進程。

近期研究揭示，金剛石的擊穿失效具有顯著的晶向依賴性：（111）晶面在電-熱耦合作用下優先發生晶格畸變與非晶化，而（100）和（110）晶面則表現出更高穩定性。這一發現凸顯了材料本征各向異性與器件結構設計之間的深層矛盾。當前技術瓶頸在于缺乏對電擊穿過程中應力演化、相變路徑與熱失控機制的原位、原子級理解，難以指導晶向選擇、界面工程與熱管理策略。因此需融合原位表征、多尺度模擬與器件工藝，建立“晶體取向-電熱穩定性-失效機制”關聯模型，為高可靠金剛石功率器件的定向設計與國產化替代提供戰略支撐。

針對上述問題，由中國科學院大學組成的團隊利用澤攸科技原位TEM進行了系統研究，他們首次通過原位電擊穿實驗結合模擬，揭示了鉆石沿（111）晶面發生應力誘導非晶化的失效機制，為高性能金剛石器件設計提供了關鍵見解。

標題：Failure mechanism of diamond under electrical breakdown

期刊：Cell Reports Physical Science

網址：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.102843

原位電擊穿實驗平臺的構建與實時觀測

研究團隊基于澤攸科技提供的原位雙傾探針桿，在球差校正掃描透射電鏡中構建了可控高電場加載系統。通過聚焦離子束在單晶金剛石中刻蝕溝槽并沉積Pt導電通路，精確限定擊穿區域；隨后利用該樣品桿精準操控鎢探針與金剛石表面接觸，并施加0–20 V階梯偏壓，成功實現了電擊穿過程的實時、原位觀測。該平臺不僅避免了機械壓力對晶格的干擾，還實現了納秒級電流響應與結構演變的同步捕捉，為揭示金剛石失效機制提供了關鍵實驗基礎。

圖1 金剛石擊穿實驗的樣品制備與原位實驗流程

圖2 (100)和(110)晶面金剛石襯底的原位擊穿實驗結果

（111）晶面優先失效的應力驅動機制

通過幾何相位分析對擊穿前后區域的應力分布進行定量解析，研究發現：在（111）取向金剛石中，平行于晶面的應力（σ_yy,Relative）首先引發晶面間距偏移，隨后垂直方向應力（σ_xx,Relative）進一步破壞面內周期性，最終導致晶格崩塌并轉變為非晶碳。澤攸科技原位雙傾探針桿在此過程中確保了電場施加的穩定性與探針定位的納米級精度，使得高分辨TEM圖像能夠清晰捕捉從晶格畸變到非晶化演化的全過程，首次從實驗上證實了電-熱耦合下（111）面的結構脆弱性源于各向異性應力演化。

圖3 擊穿前后探針的成分與結構表征

晶向依賴的熱穩定性差異與非石墨化轉變路徑

對（100）、（110）和（111）三種晶面的對比實驗表明，擊穿后僅（111）區域顯著劣化，而（100）和（110）面在更高場強下仍保持結構完整性。電子能量損失譜（EELS）顯示，所有擊穿產物的π*/σ強度比均低于1:3，證實金剛石*直接轉變為非晶碳而非石墨。澤攸科技提供的高穩定性電學-力學耦合環境，使得研究團隊能排除雜質與缺陷干擾，明確將失效行為歸因于本征晶向效應，顛覆了傳統認為高溫下金剛石必然石墨化的認知。

圖4 (111)晶面金剛石襯底的原位擊穿實驗結果

分子動力學模擬驗證與熱失控機制統一

結合實驗結果，團隊開展分子動力學（MD）模擬，發現（111）面在2400 K以上即發生層狀剝離，而（110）和（100）面可耐受至3800 K。模擬揭示的各向異性熱失穩路徑與原位實驗觀測高度一致——瞬時焦耳熱引發熱失控，但電場誘導的局部升溫與晶格取向共同決定了失效起始位置。該“實驗-模擬”閉環驗證不僅闡明了金剛石電擊穿的本質是應力-熱協同驅動的非晶化，也為高可靠性器件的晶向選擇（如優先采用（110）取向）提供了理論依據。

圖5 金剛石(100)、(110)和(111)暴露表面的熱穩定性分子動力學模擬