溫度傳感器廣泛應用于工業控制、能源裝備、航空航天及電子系統之中，其中負溫度系數（NTC）熱敏電阻由于結構簡單、靈敏度高，被長期用于溫度檢測與補償。目前主流NTC器件多以金屬氧化物陶瓷或納米復合材料為基礎，但在高溫、腐蝕等復雜環境下，往往會出現穩定性下降、靈敏度衰減等問題，難以滿足航空航天、深井探測等苛刻場景的應用需求。在這一背景下，金剛石材料逐漸被引入溫度傳感研究，其超寬禁帶、高熱導率、化學穩定性和機械硬度，使其在極端環境電子器件中具備潛在應用價值。此前已有研究嘗試利用硼摻雜金剛石或多晶金剛石晶界缺陷構建NTC熱敏電阻，但器件的導電機制、工作溫區以及工藝兼容性等方面仍存在進一步優化空間，未能實現性能與量產潛力的同步突破。
01
成果介紹
近期，江南大學集成電路學院敖金平團隊聯合西安交通大學研究人員，在《Materials Letters》發表論文“Investigation of diamond NTC thermistors based on selective epitaxial method”。該研究的核心亮點的是圍繞“選擇性外延金剛石薄膜”展開，嘗試并成功構建了一種無需有意摻雜的新型金剛石NTC熱敏電阻。
02
研究方法
研究團隊此前在開展選擇性外延金剛石用于紫外探測器及肖特基勢壘二極管的相關研究時，意外發現選擇性生長的金剛石薄膜在室溫條件下具備一定導電性及負溫度系數特性，這一突破性發現為新型NTC（負溫度系數）器件的研發提供了全新思路。
該新型NTC器件的制備流程具有鮮明創新性：首先在Ib型單晶金剛石襯底上生長薄緩沖層，隨后通過光刻與濺射工藝制備叉指狀鎢電極，再利用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）系統進行選擇性外延生長，形成厚度約200 nm的活性層。值得注意的是，生長過程中鎢掩膜與金剛石表面會發生原位反應，形成穩定的歐姆接觸，無需后續額外進行電極沉積步驟，這一設計大幅提升了工藝兼容性，同時增強了器件的量產潛力。
器件制備完成后，通過紫外臭氧處理實現表面氧終止，進一步優化其電學性能。整個研究工作圍繞“材料制備—結構表征—電學性能測試—導電機理分析—應用潛力評估”的完整框架展開，重點探究器件在80-723 K寬溫區范圍內的溫度依賴特性、工作穩定性及瞬態響應性能。最終，該器件成功實現150-723 K的穩定工作區間，且在150-477 K核心溫區內表現出高靈敏度與快速響應特性，其B值在低溫段顯著優于常規硼摻雜金剛石熱敏電阻，同時繼承了金剛石材料本身在極端環境下的固有優勢。
此外，該研究還明確澄清了選擇性生長金剛石薄膜的導電機理，證實其導電特性主要源于鎢相關雜質，這一結論為后續同類NTC器件的研發提供了堅實的理論支撐，推動相關領域的技術突破與發展。
圖1. (a) NTC器件的示意圖和 (b) 光學圖像。
圖2. 掃描電子顯微鏡（SEM）圖像：(a) 放大后的器件形態；(b) 鎢（W）電極條上的孔洞；(c) 鎢掩模和選擇性外延層的蝕刻表面。(d) 鎢電極條之間選擇性外延層的拉曼光譜。
04
總結
該研究以選擇性外延技術為核心，成功制備出基于無有意摻雜選擇性外延金剛石層的NTC熱敏電阻，有效解決了傳統NTC器件在極端環境下穩定性不足、靈敏度衰減，以及此前金剛石NTC器件工藝兼容性差、導電機制不明確等問題。該研究采用的工藝與大規模生產兼容，不僅填補了無摻雜金剛石NTC熱敏電阻的技術空白，更為開發高性能、寬溫域、環境適應性強的金剛石溫度傳感器提供了重要技術支撐。未來，通過進一步優化外延參數和器件結構，有望推動金剛石電子器件在航天、深井探測等苛刻場景中的實際應用，為極端環境溫度傳感技術的升級換代提供助力。
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來源：https://doi.org/10.1016/j.matlet.2026.140826
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