近年來，硼摻雜金剛石（Boron-Doped Diamond，簡(jiǎn)稱 BDD）電極因其寬電化學(xué)窗口、高化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)氧化、污水處理以及傳感器等領(lǐng)域。BDD 的電化學(xué)性能主要取決于摻雜濃度、晶體形貌以及表面化學(xué)特性等因素。
然而，在化學(xué)氣相沉積制備過程中，BDD 電極往往會(huì)不可避免地引入雜質(zhì)。例如在熱絲化學(xué)氣相沉積（HFCVD）過程中，鎢絲被用作加熱元件，會(huì)向系統(tǒng)中釋放微量的金屬原子；這些鎢（W）雜質(zhì)可能被嵌入到金剛石晶格中，從而影響材料性質(zhì)。盡管這一現(xiàn)象早已被實(shí)驗(yàn)觀察到，但其對(duì) BDD 電極性能的具體影響卻長(zhǎng)期被忽視。
中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所杭寅研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一問題，開展了系統(tǒng)研究。團(tuán)隊(duì)采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）方法，制備了一系列具有不同鎢含量的鎢共摻雜硼摻雜金剛石（WBDD）電極，并系統(tǒng)考察了其微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)特征以及電化學(xué)性能。研究成果發(fā)表于 Surfaces and Interfaces 期刊（2025年），題為“Impact of tungsten doping on the physicochemical properties of boron-doped diamond electrodes”。
研究者首先指出，在傳統(tǒng)的 BDD 電極制備過程中，金屬雜質(zhì)不可避免地進(jìn)入體系。以往工作表明，硅等雜質(zhì)會(huì)顯著改變 BDD 的表面官能團(tuán)和電荷遷移特性，而鎢的作用則缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。
為了排除不可控因素，本研究通過 MPCVD 主動(dòng)引入可控量的鎢源（W(CO)?），同時(shí)使用三甲基硼酸酯（TMB）作為硼源，以不同流量比例調(diào)控?fù)诫s濃度。樣品沉積在鈦基底上，生長(zhǎng)溫度約 750 ℃，并在沉積后通過多種手段表征。
該研究系統(tǒng)揭示了鎢摻雜對(duì)硼摻雜金剛石電極的多重影響機(jī)制，這一發(fā)現(xiàn)不僅為高性能金剛石電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，也為金剛石光電與量子信息材料研究提供了新的摻雜思路。
圖文導(dǎo)讀
圖1. 摻雜裝置示意圖。
圖2. 掃描電子顯微鏡表面形貌圖：(a)BDD，(b)WBDD1，(c)WBDD2，(d)WBDD3，(e)WBDD4。
圖3. BDD和WBDD電極的(a)X射線衍射(XRD)和(b)拉曼光譜表征。
圖4. 在2 M KCl溶液中，以100 mV/s掃描速率測(cè)得的BDD和WBDD1–4的循環(huán)伏安曲線：（a）1 mM K?[Fe(CN)?]溶液；（b）2 mM [Ru(NH?)?]Cl?溶液。箭頭表示掃描方向。
