核电池原型由200个钻石转换器组成，并与镍-63和稳定的镍箔层相互交织（如图）。 由转换器产生的功率量取决于镍箔的厚度和转换器本身，因为两者都影响吸收多少β颗粒。目前可用的核电池原型由于体积过大，优化得很差。如果β辐射源太厚，它发射的电子就无法逃脱。 这种效应被称为自吸收。然而，随着源变得更薄，单位时间内经历衰变的原子数量按比例减少。类似的推理也适用于变换器的厚度。

    研究人员的目标是***大限度地提高镍-63电池的功率密度。为了做到这一点，他们数字模拟了电子通过β源和转换器的过程。事实证明，当厚度为2微米时，镍-63源是***有效的，基于肖特基势垒金刚石二极管的转换器的***佳厚度约为10微米。

制造技术

    主要的技术挑战是制造大量内部结构复杂的金刚石转换单元。每个转换器只有几十微米厚，就像超市里的塑料袋一样。常规的机械和离子技术金刚石变薄不适合这项任务。TISNCM和MIPT的研究人员开发出了一种独特的技术，用于合成金刚石基底上的薄金刚石片，并将其分开以批量生产超薄转换器。

   研究小组使用了20个厚度的掺硼金刚石晶体板作为基体。采用高温梯度技术在高压下生长。离子注入被用于制造一个100纳米厚的缺陷，“受损”层在基片的深度约700纳米。使用化学气相沉积在该层的顶部上生长15微米厚的硼掺杂金刚石膜。然后衬底经历高温退火以诱导埋入的缺陷层的石墨化并回收顶部金刚石层。使用电化学蚀刻去除损伤层。在通过蚀刻分离缺陷层之后，半成品转换器装配有欧姆和肖特基接触。

    如图所示，所有的转换器并联连接成一个堆叠。2微米厚的镍箔轧制技术是由研究所和科学工业协会LUCH开发的。电池用环氧树脂密封。

    原型电池的特点是电流-电压曲线如图所示。开路电压和短路电流分别为1.02伏和1.27微安。在0.92伏时获得0.93微瓦的***大输出功率。 这种功率输出对应于每格拉姆约3300毫瓦小时的比功率，这比商业化学电池或在TISNCM设计的以前的镍-63核电池的功率大10倍。

核电池：前景

    这个故事报道的工作有医疗应用前景。大多数先进的心脏起搏器尺寸超过10立方厘米，需要大约10微瓦的功率。这意味着新的核电池可以用来驱动这些设备，而不会对其设计和尺寸有任何重大改变。电池不需要更换或维修的“永久性起搏器”可以改善患者的生活质量。

    太空行业也将从紧凑型核电池中获益匪浅。特别是对于具有用于航天器的集成电源系统的自主无线外部传感器和存储芯片的需求。金刚石是防辐射性***强的半导体之一。由于它具有较大的带隙，因此它可以在很宽的温度范围内工作，使其成为航天器核动力电池的理想材料。

    研究人员计划继续他们在核电池方面的工作。他们确定了应该追求的几条调查路线。首先，在辐射源中富集镍-63将按比例增加电池功率。其次，开发具有受控掺杂分布的钻石p-i-n结构可以提升电压，因此可以将电池的功率输出至少提高三倍。第三，提高转换器的表面积将增加每个转换器上的镍-63原子的数量。

    TISNCM主任，MIPT纳米结构物理与化学主席Vladimir Blank评论了这项研究：“迄今为止的结果已经非常了不起，可以应用于医学和空间技术，但我们计划做更多。近年来，我们研究所在合成高质量的掺杂金刚石方面相当成功，尤其是那些具有n型导电性的金刚石，这将使我们能够实现从肖特基势垒到引脚结构的转变，从而实现三倍的电池功率。设备的功率密度越高，应用越多，我们对高品质金刚石合成具有很好的能力，因此我们计划利用这种材料的独特性能来创建新的防辐射电子元件和设计新颖的电子和光学设备“。

    金刚石是自然界存在的特殊材料之一，具有***高的硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等，如下表。虽然天然金刚石具有这些***的特性，但是它们一直仅仅是以宝石的形式存在，其性质的多变性和稀有性极大地***了其应用。而洛阳誉芯金刚石制备的CVD金刚石膜将这些优异的物理化学性能集一身，且成本较天然金刚石低，能够制备各种几何形状，在电子、光学、机械等工业领域有广泛的应用前景。