近日，來自香港城市大學(xué)Alice Hu和陸洋、哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱嘉琦、麻省理工李巨等研究者，首次使用納米力學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了微晶金剛石陣列的大而均勻的拉伸彈性應(yīng)變。該發(fā)現(xiàn)顯示了金剛石作為微電子學(xué)、光子學(xué)和量子信息技術(shù)中高級功能器件的主要候選材料的潛力。相關(guān)論文以題為“Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond”于2021年元月1日發(fā)表在國際頂級期刊Science上。
“這是第一次通過拉伸實(shí)驗(yàn)顯示金剛石具有極大的均勻彈性。我們的發(fā)現(xiàn)證明了通過微加工金剛石結(jié)構(gòu)的‘深層彈性應(yīng)變工程’開發(fā)電子設(shè)備的可能性。”香港城市大學(xué)副教授陸洋說。
金剛石因其超高的導(dǎo)熱性、優(yōu)異的載流子遷移率、高擊穿強(qiáng)度和超寬帶隙而被認(rèn)為是一種高性能的電子和光子材料。然而，由于金剛石的大帶隙和緊湊的晶體結(jié)構(gòu)，使得在生產(chǎn)過程中調(diào)制半導(dǎo)體電子性能的常用方法難以實(shí)現(xiàn)，阻礙了金剛石在電子和光電子器件中的工業(yè)應(yīng)用。一種可能的方法是通過“應(yīng)變工程”，即應(yīng)用非常大的晶格應(yīng)變，改變帶隙結(jié)構(gòu)和相關(guān)的功能性質(zhì)。但由于金剛石具有極高的硬度，這被認(rèn)為是“不可能的”。
之前，研究人員發(fā)現(xiàn)，納米級的鉆石可以在意想不到的大局部應(yīng)變下發(fā)生彈性彎曲。在此基礎(chǔ)上，新研究表明了如何利用這一現(xiàn)象開發(fā)功能性金剛石器件。
該團(tuán)隊(duì)首先制備了樣品。這些樣品呈橋狀——大約1微米長、300納米寬，兩端更寬。然后，鉆石橋在電子顯微鏡下以控制良好的方式單軸拉伸。在連續(xù)可控的加載—卸載定量拉伸試驗(yàn)循環(huán)下，金剛石橋在整個試件測量截面上表現(xiàn)出高度均勻的大彈性變形，約為7.5%，而不是彎曲局部的變形。之后，它們恢復(fù)了原來的形狀。
研究人員對樣品幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，最大均勻拉伸應(yīng)變達(dá)到9.7%，甚至超過了2018年研究的局部最大值，接近金剛石的理論彈性極限。更重要的是，為了演示應(yīng)變金剛石裝置的概念，該團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了微晶金剛石陣列的彈性應(yīng)變。
研究小組隨后進(jìn)行了計(jì)算，以估計(jì)彈性應(yīng)變從0到12%對鉆石電子特性的影響。模擬結(jié)果表明，隨著拉伸應(yīng)變的增加，金剛石的帶隙寬度普遍減小，在9%的應(yīng)變下，沿特定晶體取向的帶隙寬度能從5 eV左右減小到3 eV左右。
專家認(rèn)為，這證明了金剛石的帶隙結(jié)構(gòu)可以改變，更重要的是，這些改變可以是連續(xù)和可逆的，能適合不同的應(yīng)用，從微/納米機(jī)電系統(tǒng)到光電和量子技術(shù)。
文獻(xiàn)鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/371/6524/76 |
