金刚石被认为是最具潜力的下一代半导体材料，它是最坚硬的天然材料，同时还具有超宽带隙、高载流子迁移率、优异的热导率以及独特的自旋和光学特性，在量子计算领域、高频和大功率电子器件等领域也有很大的应用前景。目前研究人员制备了不同的金刚石结构（如准晶金刚石，纳米孪晶金刚石等）来调整其性能。特别是1991年发现了一种特殊的新型金刚石（n-Diamond）结构，因其独特的结构特征（除额外的禁止衍射外，它的电子衍射图案与传统的金刚石衍射图案完全一致）和潜在的应用价值而引起广泛的关注和研究。然而，由于制备的新型金刚石数量少、晶粒尺寸小、纯度低，其晶体结构一直尚未确定，从而严重制约了对其形成机理及性能的研究，限制了其发展和应用。

      近期中国科学院宁波材料技术与工程研究所江南团队成功制备了大尺寸 （9×9×1 mm）金刚石单晶， X 射线衍射谱显示其具有较强的 (002) 衍射峰，表明其含有新型金刚石结构。公共技术中心球差校正电镜室利用亚原子尺度成像表征，结合皮米精度原子位置识别技术，证实了金刚石中碳原子在皮米尺度存在不同程度的周期性定向位移，并分析了碳原子位移的物理机制，提出了新的结构模型（Subdisordered Structures）解释新型金刚石结构特征。第一性原理计算表明，金刚石的带隙随着原子偏移距离的增加而迅速减小（当原子偏移17.5 pm 时，金刚石带隙从5.5 eV下降到0.5 eV），与实验结果（新型单晶金刚石电导率是传统单晶金刚石的106倍）一致，因此，皮米尺度原子位移引起的金刚石带隙变化为调控金刚石电子特性提供了新的思路。

      该研究澄清了金刚石领域30多年来关于新型金刚石晶体结构的争议，为探究新型金刚石物理特性提供了基础，对于调控金刚石的电子特性和开发高性能金刚石器件具有重要意义。该研究以“Picometer-Scale Atomic Shifts Governing Subdisordered Structures in Diamond”为题发表在美国化学学会《Nano Letters》期刊，并被选为封面论文（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01857）。论文第一作者为中国科学院宁波材料所优秀博士后崔俊峰，通讯作者为海洋关键材料重点实验室江南研究员、公共技术中心柯培玲研究员和陈国新高级工程师。本工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目、浙江省基金和宁波市基金等项目的支持。

图1. 新型单晶金刚石XRD衍射谱（a）、传统立方相金刚石XRD衍射谱（b）

图2. 新型单晶金刚石原子位移的原子像表征

图3. 金刚石中碳原子位移引起的电子结构变化

图4. 期刊封面论文