近日，來自香港城市大學Alice Hu和陸洋、哈爾濱工業大學朱嘉琦、麻省理工李巨等研究者，首次使用納米力學方法，實現了微晶金剛石陣列的大而均勻的拉伸彈性應變。該發現顯示了金剛石作為微電子學、光子學和量子信息技術中高級功能器件的主要候選材料的潛力。相關論文以題為“Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond”于2021年元月1日發表在國際頂級期刊Science上。
“這是第一次通過拉伸實驗顯示金剛石具有極大的均勻彈性。我們的發現證明了通過微加工金剛石結構的‘深層彈性應變工程’開發電子設備的可能性。”香港城市大學副教授陸洋說。
金剛石因其超高的導熱性、優異的載流子遷移率、高擊穿強度和超寬帶隙而被認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構，使得在生產過程中調制半導體電子性能的常用方法難以實現，阻礙了金剛石在電子和光電子器件中的工業應用。一種可能的方法是通過“應變工程”，即應用非常大的晶格應變，改變帶隙結構和相關的功能性質。但由于金剛石具有極高的硬度，這被認為是“不可能的”。
之前，研究人員發現，納米級的鉆石可以在意想不到的大局部應變下發生彈性彎曲。在此基礎上，新研究表明了如何利用這一現象開發功能性金剛石器件。
該團隊首先制備了樣品。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。在連續可控的加載—卸載定量拉伸試驗循環下，金剛石橋在整個試件測量截面上表現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，它們恢復了原來的形狀。
研究人員對樣品幾何結構進行了進一步優化，最大均勻拉伸應變達到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，為了演示應變金剛石裝置的概念，該團隊還實現了微晶金剛石陣列的彈性應變。
研究小組隨后進行了計算，以估計彈性應變從0到12%對鉆石電子特性的影響。模擬結果表明，隨著拉伸應變的增加，金剛石的帶隙寬度普遍減小，在9%的應變下，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。
專家認為，這證明了金剛石的帶隙結構可以改變，更重要的是，這些改變可以是連續和可逆的，能適合不同的應用，從微/納米機電系統到光電和量子技術。
文獻鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/371/6524/76 |
