近日，东京大学研究生院新领域创成科学研究科的杉本宜昭教授、张润楠博士研究生等组成的研究团队，携手东京大学物性研究所的尾崎泰助教授，以及日本产业技术综合研究所（产综研）先进功率电子研究中心的小仓政彦主任研究员，取得了一项突破性成果 —— 利用原子间力显微镜（AFM），成功开发出能够在原子级别观察金刚石（钻石）表面碳原子排列的技术，首次实现了对钻石表面单个碳原子的可视化，为原子级别分析钻石材料开辟了全新道路。相关研究成果已于 1 月 8 日在线发表在材料与微器件国际期刊《Nano Letters》上。

钻石，因其高载流子迁移率、高热导率和高绝缘击穿电场等卓越特性，在电力和量子器件等领域广泛应用，被视作终极半导体材料。然而，钻石薄膜表面常存在空位等原子级缺陷，严重影响器件性能。故而，在原子尺度观测钻石表面、明晰其微观结构，对提升器件性能至关重要。此前，虽有多种解析原子级别结构的显微技术，但受钻石低导电性及表面碳原子高密度排列等因素制约，扫描隧道显微镜（STM）等方法均未能实现对钻石表面单个碳原子的可视化。

东京大学研究团队对杉本教授 2007 年提出的硅表面元素分辨技术加以改进，使其适用于钻石表面。随后，借助在超高真空环境下运行的 AFM 与活性硅探针，实现了这一技术突破。研究团队采用产综研通过等离子体化学气相沉积（CVD）技术，精心制备出的表面原子级别平坦的钻石（001）面作为样品。该钻石表面碳原子成对排列，间距仅 1.39 埃（1 埃 = 10 亿分之一米），此前难以实现单个碳原子的可视化。此次，通过将活性硅探针与表面距离拉近至数埃，成功观测到单个碳原子，并捕捉到与钻石薄膜生长和器件性能相关的空位等原子级缺陷。

为深入探究钻石表面单个碳原子的可视化机制，研究团队利用东京大学物性研究所的 OpenMX 开展第一性原理计算，证实了探针尖端硅原子与钻石表面碳原子间形成化学键的可能性，且成功再现实验中硅探针模型接近钻石表面时检测到的碳原子信号。

这一成果意义重大，为原子级别分析钻石表面提供新途径，有助于揭示钻石薄膜生长机制、提升钻石器件性能。例如，通过分析不同条件下制备的钻石薄膜，可明确制备原子级平坦且洁净钻石薄膜的条件；研究团队开发的单原子元素识别方法，还能用于分析钻石表面的掺杂剂和杂质原子分布，助力评估利用缺陷的量子器件并探索新功能，在未来的半导体和量子技术发展中，有望发挥关键作用，推动相关领域迈向新高度。