ダイヤモンドが極限電場下で壊れる仕組みを解明(Diamond Fails Under Extreme Electrical Fields)

2025-09-23 中国科学院(CAS)

中国科学院大学の研究チームは、極端な電場下におけるダイヤモンドの破壊メカニズムを実験と分子動力学シミュレーションで解明しました。透過型電子顕微鏡によるその場観察で、破壊は黒鉛化ではなく(111)結晶面に沿った格子歪みと非晶質化から始まることを発見。さらにシミュレーションでも(111)面が熱的に最も崩壊しやすいことを確認しました。これにより、(100)や(110)配向基板を利用することでデバイス耐久性が向上する可能性が示されました。本成果は、量子計算や高出力トランジスタ、紫外レーザーなどへのダイヤモンド応用設計に重要な指針を与えるものです。

編集注記:
(111)結晶面
とは、結晶構造を表す「ミラー指数(Miller indices)」で表記された結晶面の一つです。ダイヤモンドやシリコンのような結晶は、原子が三次元的に規則正しく並んでいます。このとき、結晶を切断したり観察したりする基準となる面を「結晶面」と呼び、ミラー指数で表します。

  • (100)面:立方体の各面に対応する面。原子配列が比較的単純で平坦。
  • (110)面:立方体の辺を含む面。原子の並びが溝状に見える。
  • (111)面:立方体の体対角線に垂直な面。原子が最も密に詰まった「密充填面」であり、結晶の安定性や物性に大きく関わる。

ダイヤモンド構造においては、(111)面は原子密度が高いが、特定条件下で歪みやすく、電場や熱によって破壊の起点になりやすいとされています。

<関連情報>

電気破壊によるダイヤモンドの破壊メカニズム Failure mechanism of diamond under electrical breakdown

Zengyu Yan ∙ Guanyu Zheng ∙ Haochen Zhang ∙ … ∙ Duojun Wang ∙ Qingbo Yan ∙ Guangchao Chen
Cell Reports Physical Science  Published:September 16, 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.102843

Graphical abstract

ダイヤモンドが極限電場下で壊れる仕組みを解明(Diamond Fails Under Extreme Electrical Fields)

Highlights

  • In situ observation of diamond failure under electrical breakdown
  • Failure mechanism of diamond along the (111) plane under stress
  • The transformation of diamond into amorphous carbon under electrical breakdown
  • Comparison of thermal stability of various diamond-exposed surfaces

Summary

Diamond holds immense potential for high-power electronics due to its ultrahigh breakdown field strength and exceptional thermal conductivity. However, material failure under extreme electric fields necessitates a fundamental understanding of crystallographic-orientation-dependent breakdown mechanisms. In this work, we designed and performed in situ breakdown experiments on single-crystal diamond within the transmission electron microscopy (TEM) mode, achieving controlled breakdown under real-time observation. Comprehensive structural, compositional, and stress analyses revealed that failure initiates preferentially along the (111) plane, driven by sequential lattice distortion and amorphization. Molecular dynamics (MD) simulations further elucidated atomic-scale degradation pathways, demonstrating anisotropic thermal stability across low-index crystallographic orientations. The (111)-oriented surface exhibited pronounced structural collapse under thermal stress, while (100) and (110) planes maintained integrity until higher thresholds. This work’s integrated experimental-computational approach clarifies crystallographic dependency in diamond breakdown, offering critical insights for designing robust diamond devices.

0501セラミックス及び無機化学製品
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