针对当前氢终结金刚石表面导电沟道存在表面性质不稳定、导电沟道迁移率低以及器件耐压不足等问题，依照项目设定的研究目标系统开展了氢终结金刚石表面 P 型导电沟道形成的实验研究、氢终结金刚石的能带结构图谱绘制、氢终结金刚石表面钝化及相关器件研制等研究内容，最终揭示了氢终结金刚石表面载流子输运沟道形成的内在驱动力，建立了金刚石表面缺陷相关的载流子散射模型，确立了合适的钝化层体系。研究表明氢终结金刚石表面导电沟道源于氢终结金刚石表面负的电子亲和势与大气电化学环境共同作用的界面电荷转移机制，二者是氢终结金刚石表面导电的充分必要条件。氢终结金刚石表面导电沟道中载流子迁移率与表面粗糙度的平方成反比关系,同时受金刚石体表杂质散射影响。通过对氢终结金刚石表面粗糙度的修复与外延层的净化，能够显著提高表面导电沟道的载流子迁移率。原子层沉积的Al2O3膜对于氢终结金刚石表面钝化效果良好，界面的缺陷密度在1011-1012cm-2eV-1量级，同时可以在200℃以上仍然稳定。基于Al2O3钝化的氢终结金刚石电子器件显示出良好的耐压特性。钝化层的选择不仅需要其本身的能带结构与氢终结金刚石能够匹配，而且还需要在实际制备过程中尽可能少的引入界面缺陷，从而实现导电沟道的稳定与性能提高。本项目的实施将为氢终结金刚石表面钝化层的筛选与优化、金刚石基电子器件研究打下基础。

氢终结金刚石由于在近表面形成稳定的P型导电沟道，如方块电阻104-106 Ω/□，成为未来宽频带、超大容量无线通讯领域最有前景的半导体选择。然而该导电沟道中载流子迁移率远低于金刚石的理论值，且载流子输运极易受到环境变化的影响，为此针对沟道中载流子输运形成及稳定化的研究，对优化半导体性质、构建极高频超大功率电子器件至关重要。本项目基于氢原子终结金刚石能带结构出发，从表面导电沟道中载流子输运对大气环境的响应入手，探索氢致金刚石表面P型导电沟道的内在驱动力。本项目拟结合势垒激发电荷转移原理，构建氢终结金刚石表界面电子转移模型；基于表面沟道载流子输运规律，建立与金刚石表面缺陷相关的载流子散射模型，提出利于载流子迁移的优化调控措施；依据钝化层对金刚石表面导电沟道的稳定化规律，基于界面极化理论，揭示钝化层对导电沟道的内在调制机理。本研究将为指导开发可靠的极高频超大功率电子器件奠定理论基础。

奥氏体不锈钢表面处理得到的S相具有优异的综合性能，然而其形成机制及其在使用和服役条件下的稳定性缺乏研究。 首先按原定研究方案，利用三维原子探针和内耗技术研究奥氏体不锈钢形成S 相的纳米团簇形成机制。证明了S相中过饱和碳是种偏聚并没有析出，偏聚过程是可逆的（碳浓度从高到低），而且碳的偏聚和其它合金元素没有直接的关系。在奥氏体中的碳扩散系数随碳含量增加而增大的原因除了考虑合金元素对碳的扩散系数影响及扩散导致的弹性应力场的作用以外，主要原因是面缺陷（孪晶与层错）成为碳原子的快速扩散通道。纳米团簇机制的揭示有助于增加对S相形成机制的理解。 其次，研究S 相在外加应力场（等静压和拉应力）和温度场等多物理场作用下的S 相稳定规律。证明了等静压作用下碳扩散受到抑制，通过不同温度下扩散系数的关系计算其扩散激活能，结果表明受等静压作用的碳的扩散激活能大于无压力情况，且扩散激活能在碳含量较高时由于面缺陷（孪晶与层错）与碳原子的相互依存作用突然降低。在拉应力作用下S相的厚度随着拉应力的增加而增加，拉应力可以促进碳原子在S相中的扩散，同时能够形成许多纳米尺度的孪晶，从而增加表层的硬度。 第三，研究了S相在高载荷下磨损性能。奥氏体不锈钢基体在压应力与滑动切应力作用下发生了剧烈的塑性变形，甚至会发生马氏体相变；而在大载荷磨损后S相没有发生明显的塑性变形和马氏体相变，具有很好的机械与相稳定性。 最后，运用电化学充氢、慢速率拉伸与EBSD、气相氢渗透等实验系统研究了S相的氢脆行为。S相能够提高抗氢脆能力且渗碳S相的抗氢脆效果比渗氮S相更好。分析其原因是稳定的S相能抑制亚稳奥氏体不锈钢表面氢致马氏体相变，减小裂纹形核的可能性，并有效降低氢的渗透。 项目对于S相形成机制的研究达到预定目标，研究外加应力场与温度场作用下的稳定性的结果以及在特殊环境下的服役性能（重载磨损、氢脆）的探索具有理论创新和实用价值。

通过低温渗碳或渗氮技术在奥氏体不锈钢表面得到的S相，具有优异的综合性能（超高硬度、抗磨损、耐疲劳和耐腐蚀性），在医学，生物，能源等领域有广泛的应用前景。S相是间隙原子在奥氏体基体中的过饱和固溶亚稳相（含碳12at.%,含氮25at.%），对S相形成机制及其在使用和服役条件下的稳定性尚不清楚。本项目用电镜分析技术表征S相的微观结构，三维原子探针分析合金元素分布，利用内耗及力学谱分析获得置换与间隙原子交互作用能等物理参数，研究渗碳奥氏体不锈钢形成S相的纳米团簇形成机制，揭示S相的形成规律及其影响因素；在此基础上，研究S相在外加应力场或（和）温度场等多物理场作用下的结构演变和性能变化，探索在多物理场下S相的稳定条件和组织转变规律。本项目对S相形成机制及其在外场作用下稳定性的研究，不仅可望揭示奥氏体过饱和亚稳固溶体S相的形成机制，而且有利于进一步优化工艺、推广S相在各领域中的应用。

（类）金刚石有多方面优异的物理和化学性能，在一些方面也得到初步的应用，但是它们本身的优异性能还远远没有发挥出来，依赖于（类）金刚石膜更深层次包括表面特性的研究，尤其是纳米尺度上薄膜表面的制造和物理研究。从表面科学的研究来看，薄膜形成中的动力学演变牵涉到复杂的物理过程，最终的表面相貌是表面粗造和平滑过程相互作用的结果。对薄膜表面形成机理的理解是实现在纳米尺度上对表面形貌控制的基础。因此，纳米尺度上（类）金刚石表面的研究无论是从拓展它们的应用领域、发掘新的生长点，还是从表面科学发展的角度来说都是十分有意义的。本研究拟通过在低气压（类）金刚石合成非平衡过程中通过工艺的合理设计，驱动不同程度粗造和平滑过程，在电场、温度场和应力场中自组化形成（类）金刚石的特征表面。利用等离子体与薄膜表面的相互作用，诱发特征的（类）金刚石表面自组形成。研究（类）金刚石表面的动力学演变，探讨特征表面形成的物理机制。