金刚石因其超高击穿电场强度（可达 5–10 MV/cm）、优异的热导率（约 2000 W/m·K）、高载流子迁移率及宽禁带特性，被广泛认为是继硅和碳化硅之后的又一代功率半导体材料。在高功率电子器件和高频应用中，金刚石展现出独特优势。但同时，器件在极端电场条件下的击穿失效问题，也成为制约其产业化的瓶颈。

       近期，中国科学院大学的研究团队以“Failure mechanism of diamond under electrical breakdown”为题在 Cell Reports Physical Science 发表论文，报道了金刚石在电击穿下的失效机理。他们通过原位透射电子显微镜（TEM）实验结合分子动力学模拟（MD），系统揭示了金刚石击穿过程中晶向依赖的失效路径。

       电击穿下的优先生长点：金刚石 (111) 晶面

       研究表明，金刚石在电击穿中并非均匀失效，而是优先沿 (111) 晶面发生结构崩解。在强电场作用下，晶格会先在 (111) 晶面内出现畸变，随后平行应力与垂直应力依次作用，导致晶格间距偏移、层状结构坍塌，最终转变为无定形碳。

       这一发现尤其重要：在整个过程中，金刚石并未经历石墨化的中间态，而是直接从有序晶格转化为无序碳。这一结果与传统的“金刚石先石墨化再退化”的假设不同，对理解其击穿机理提供了新的视角。

       不同晶向的热稳定性差异

       分子动力学模拟进一步揭示了晶向之间的显著差异。研究发现：

       (110) 晶面表现出最高的热稳定性，可在更高温度下保持晶格完整；

       (100) 晶面次之；

       (111) 晶面则最脆弱，在约 2400 K 就发生明显的层状失效。

       这一顺序（110 > 100 > 111）与实验观察高度一致，说明晶向确实决定了金刚石在极端条件下的稳定性。

       电极界面的复杂反应

       研究还注意到，在电击穿伴随的瞬时高温下，探针材料（钨）与金刚石发生了相互作用。部分碳原子从金刚石逸出并进入探针，形成碳化钨（WC）。这一结果提醒我们，在实际器件运行过程中，击穿不仅会破坏金刚石本身，还可能引发电极—半导体界面的二次损伤。

       应用启示与产业价值

       这项研究为金刚石功率器件的设计提供了明确启示：

       优选 (110) 晶向基底，可显著提升器件在高电场下的可靠性；

       对 (111) 晶面进行表面工程（如钝化处理或界面优化），有望降低其脆弱性；

       关注电极材料的选择与界面反应，避免因瞬时高温带来的二次损伤。

       从产业角度来看，这一成果深化了对金刚石失效机理的理解，为未来在高压电力电子、射频通信及高功率激光系统等应用中的可靠性设计奠定了基础。

       金刚石作为“材料之王”，不仅以其硬度和热导率闻名，也因其在功率半导体中的潜力备受关注。通过原位实验与原子级模拟相结合，这项研究为破解其击穿失效难题提供了新的答案。随着相关研究不断深入，金刚石在高场电子学中的应用有望迈向更广阔的空间。

       图文导读

图1. 金刚石击穿的样品制备与原位实验流程。(A) 金刚石样品中导电路径的聚焦离子束加工过程。各步骤示意图包含样品的正面视图、斜视图和侧视图。(B) 带导电路径的金刚石样品高分辨率透射电子显微镜图像。探针从导电路径附近的侧面接触样品。(C) 电流与电场强度随时间变化曲线，完整呈现击穿实验过程。当电场强度达2.0 MV/cm时发生击穿。(D) 击穿瞬间的电流-时间曲线。(E) 击穿前后金刚石样品与钨探针的HRTEM图像。热击穿过程产生的高温导致钨探针局部熔化。

图2. 具有(100)和(110)晶面的金刚石衬底原位击穿实验结果。(A) 金刚石样品的高分辨率透射电子显微镜图像、对应的FFT结果以及击穿前后的成分分布图（HRTEM图像与成分分布图采用相同比例尺）。击穿后出现非晶碳区域与金刚石(111)晶面区域。(B) 代表区域1-1至1-4的高分辨率透射电子显微镜图像及对应FFT结果，其中区域1-3为新生成的金刚石(111)晶面区域，区域1-4为非晶碳区域。(C) 代表区域1-1至1-4的C K边EELS谱图。区域1-3的EELS谱反映了金刚石与非晶碳的复合特征。

图3. 探针击穿前后的成分与结构表征。(A) 钨探针击穿前后的HRTEM图像与EELS映射结果（比例尺：50 nm）。(B) (A)中标注区域的HRTEM放大图像。(C) 代表区域2-2的C K边EELS谱图。该区域对应非晶碳。(D) 击穿后(A)图中标注区域的C和W原子百分比曲线。(E) 代表区域2-1至2-4的高分辨率透射电子显微镜图像及对应的FFT结果。

图4. 具有(111)晶面的金刚石衬底原位击穿实验结果。(A) 金刚石样品击穿前后的HRTEM图像，以及相对应的应力分布图（HRTEM图像与相对应的应力分布图采用相同比例尺）。通过GPA法获得的应力被分解为垂直于金刚石(111)面的σxx,Relative和平行于金刚石(111)面的σyy,Relative。图示区域内估算的最大局部应力可达约25GPa。(B) 代表性区域3-1至3-5的HRTEM图像、对应FFT结果及σxx,Relative与σyy,Relative应力分布图（HRTEM图像与应力分布图采用相同比例尺）。(C) 代表性区域3-1至3-5的C K边EELS光谱。随着晶体结构破坏，π*峰逐渐增强。