深空探测、深海工程、核设施监测等应用中，器件需要在高压、强辐射、剧烈温差等恶劣条件下长期稳定工作。传统半导体在压力作用下会出现能带展宽、带隙缩小，导致暗电流上升、信噪比降低，甚至发生"Wilson转变"，成为极端环境光电系统的关键制约。 针对此难题，燕山大学亚稳材料全国重点实验室高压科学中心田永君院士团队与天津工业大学研究人员合作攻关。他们选择富硼化合物作为突破口，利用团簇骨架稳定结构，通过轨道相互作用在高压下实现带隙"逆向调控"。 合成的AlCu1–δB25由B12团簇构成三维骨架，铝、铜原子填充其间。该材料常压下具有约2eV带隙和较高载流子迁移率，同时兼具约30GPa维氏硬度和约1400℃耐热性，能够承受极端载荷。 关键发现在于：在约30GPa压力范围内，AlCu1–δB25未发生结构相变，光学带隙反而由常压下的约1.96eV持续扩大至2.23eV，呈现"反Wilson效应"。这一变化在宏观上表现为样品颜色由深红逐渐变浅，说明对高能光子的透过能力增强。带隙增大直接降低了本征载流子浓度，有利于抑制暗电流、提升探测灵敏度。 在器件层面，高压条件下基于该材料的器件性能多维提升：暗电流下降四个数量级，光开关比提升超过10万倍，响应时间由秒级缩短至毫秒级。器件在承受巨大外压时反而更"干净"、更"快"、更"稳"。 第一性原理计算揭示了物理机制：AlCu1–δB25的导带底主要由铝的3s轨道贡献。随着压力增加，铝与邻近硼原子距离缩短，Al-3s与B-2s轨道相互作用增强产生轨道排斥效应，使铝3s能级被"推升"，抬高导带底位置，最终导致带隙增大。这表明压力可以转化为调控能带、提升性能的"有效变量"。 这一发现拓展了高压物理与半导体物理交叉领域的认知，为"以结构设计对抗极端环境"提供了新的材料范式。富硼团簇骨架的结构稳定性使材料在高压下保持有序，为性能重复性和器件工程化奠定基础；带隙随压增大的反常规律，有望在高压传感、深海电子学、航天器原位监测等场景中降低系统噪声、提高可靠性。 传统做法多依赖封装隔离、冗余备份等工程手段应对极端环境，但成本高、体积大、失效机理复杂。该研究通过"材料—结构—能带"的一体化设计，有可能从源头提升器件抗压、抗噪能力，为轻量化、高可靠光电系统提供新选项。后续需要关注更广压力温度窗口内的稳定性、辐照和循环加载等耦合工况下的寿命表现，以及薄膜化、异质集成与规模制备的工艺路径。 随着深海资源开发和深空探测任务推进，能够在极端条件下保持甚至提升性能的新型半导体材料成为关键需求。AlCu1–δB25所揭示的"反Wilson效应"为寻找更多富硼体系及涉及的团簇结构材料指明了方向，有望推动极端环境光电器件从"可用"向"高性能、长寿命"发展。相关成果已于2026年1月27日在线发表于《国家科学评论》。
压力并非材料的"天敌"，在合适的结构框架下，它可以成为性能的"助推器"。AlCu1–δB25在极端条件下的表现，丰富了高压物理与半导体物理的交叉认知，为深海、深空等复杂环境中的高性能光电器件开发开辟了新路径。该发现启示我们，面对极端应用需求，创新的材料设计和深入的物理认识往往能够化挑战为机遇。