上海光機所：硼摻雜金剛石研究獲新進展

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研究背景

近年來，硼摻雜金剛石（Boron-Doped Diamond，簡稱 BDD）電極因其寬電化學窗口、高化學穩定性和優異的抗腐蝕性，被廣泛應用于電化學氧化、污水處理以及傳感器等領域。BDD 的電化學性能主要取決于摻雜濃度、晶體形貌以及表面化學特性等因素。

然而，在化學氣相沉積制備過程中，BDD 電極往往會不可避免地引入雜質。例如在熱絲化學氣相沉積（HFCVD）過程中，鎢絲被用作加熱元件，會向系統中釋放微量的金屬原子；這些鎢（W）雜質可能被嵌入到金剛石晶格中，從而影響材料性質。盡管這一現象早已被實驗觀察到，但其對 BDD 電極性能的具體影響卻長期被忽視。

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研究成果

近日，中國科學院上海光機所杭寅研究團隊針對這一問題，開展了系統研究，團隊采用微波等離子體化學氣相沉積（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，并系統考察了其微觀結構、光學特征以及電化學性能。

研究者指出，在傳統的 BDD 電極制備過程中，金屬雜質不可避免地進入體系。以往工作表明，硅等雜質會顯著改變 BDD 的表面官能團和電荷遷移特性，而鎢的作用則缺乏系統認識。

為了排除不可控因素，本研究通過 MPCVD 主動引入可控量的鎢源（W(CO)?），同時使用三甲基硼酸酯（TMB）作為硼源，以不同流量比例調控摻雜濃度。樣品沉積在鈦基底上，生長溫度約 750 ℃，并在沉積后通過多種手段表征。

該研究系統揭示了鎢摻雜對硼摻雜金剛石電極的多重影響機制，這一發現不僅為高性能金剛石電極的優化設計提供了理論依據，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。

研究成果發表于 Surfaces and Interfaces 期刊（2025年），題為“Impact of tungsten doping on the physicochemical properties of boron-doped diamond electrodes”。

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圖文導讀

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掃描速率測得的BDD和WBDD1–4的循環伏安曲線：（a）1 mM K?[Fe(CN)?]溶液；（b）2 mM [Ru(NH?)?]Cl?溶液。箭頭表示掃描方向。