由中国发明协会指导、澳门创新发明协会主办的2023年度第十一届澳门国际创新发明展在澳门会展中心成功举办。红外薄膜与晶体团队的“高性能金刚石同位素电池”项目获得金奖。
金刚石同位素电池是利用金刚石晶体构筑的半导体换能结，将放射性同位素中的射线能量吸收并转换为电能输出的特种供电装置。由于放射性同位素的半衰期很长，故同位素电池的理论寿命可达几年到几百年甚至上千年。金刚石禁带宽度达5.5 eV，是超宽禁带半导体材料， 具有辐射换能效率高、抗辐射性强、耐高温等优异的特性，是制作同位素电池的*佳半导体材料。金刚石同位素电池利用半导体工艺制备，易于与芯片集成，相比于太阳能电池来说，其不受光照影响，可以在远离太阳的深空、无光照的深海、深林等环境中稳定输出能量。金刚石同位素电池改变了传统电池寿命的限制，是变革性的新型电池技术。
早在上世纪五十年代，美国无线电公司便开始利用硅、锗等半导体材料制作同位素电池[1]。然而限制于半导体材料本身的性能。同位素电池产品未能广泛使用。金刚石半导体材料技术的成熟为同位素电池发展带来了新的契机[2][3]。哈工大红外薄膜与晶体团队在金刚石材料与器件方面进行多年攻关，针对于同位素电池用高品质金刚石半导体材料的需求，突破了电子级单晶金刚石合成加工工艺，获得了高品质超薄单晶金刚石衬底。针对于金刚石半导体界面态缺陷、势垒钉扎的问题，提出了氧化物界面态钝化技术，制备了高质量金刚石换能结器件，改善了金刚石同位素电池的性能。红外薄膜与晶体钻石核电池团队获得第十八届“挑战杯”黑龙江省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
团队受邀在《人工晶体学报》超硬材料六十周年专刊封面发表了金刚石同位素电池的国内外研究进展[4]，针对n型金刚石掺杂难的困境，提出了金刚石异质换能结的方案，可以有效提升器件的开路电压与效率。为了进一步改善同位素电池系统的输出功率，团队提出了超级电容器结合换能结器件的方案，可以实现同位素电池持续稳定供电与瞬时高功率输出，使同位素电池在心脏起搏器、脑起搏器、微型机器人、飞机黑匣子电源等场合的应用成为可能。团队研发了核电池样机，短路电流达2 μA，并集成了超级电容器，实现了计算器稳定供电。
同位素电池具有重要的战略价值及广阔的市场前景，欧、美、日、俄等团队相继开展相关研究。哈工大团队形成了金刚石同位素电池的“材料-加工-器件-集成”研发链条，利用自主知识产权核心技术“异质界面调控”实现了实际辐射源照射下金刚石同位素电池单节开路电压的*高值（~2 V）。哈工大团队将继续围绕金刚石同位素电池器件集成及电源系统设计开展深入研究，突破电池产品化核心工艺，推进金刚石电池从原理样机到成熟产品的转变，助力我国深空探测、先进医疗等产业的发展。
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