香港城市大学 微加工钻石的拉伸为下一代微电子技术的应用铺平了道路
学分:党超群/香港城市大学 钻石是自然界中最坚硬的材料
但出乎意料的是，它作为一种优秀的电子材料也有很大的潜力
由香港城市大学领导的一个联合研究小组首次通过纳米力学方法展示了微加工金刚石阵列的大而均匀的拉伸弹性应变
他们的发现显示了应变钻石作为微电子学、光子学和量子信息技术中先进功能器件的主要候选者的潜力
这项研究是由Dr
杨璐，城市大学机械工程系副教授，麻省理工学院和哈尔滨工业大学的研究人员
他们的发现最近发表在著名的科学杂志《科学》上，标题为“在微加工金刚石中实现大的均匀拉伸弹性”
“这是第一次通过拉伸实验显示出金刚石的巨大而均匀的弹性
我们的发现证明了通过微加工金刚石结构的“深弹性应变工程”开发电子器件的可能性
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钻石:电子材料的“珠穆朗玛峰” 钻石因其硬度而闻名，其工业应用通常是切割、钻孔或研磨
但是，由于其超高的热导率、优异的电荷载流子迁移率、高击穿强度和超宽带隙，金刚石也被认为是高性能的电子和光子材料
带隙是半导体的一个关键特性，宽带隙允许高功率或高频器件工作
“这就是为什么钻石可以被认为是电子材料的‘珠穆朗玛峰’，拥有所有这些优秀的属性，”博士说
鲁说
然而，金刚石大的带隙和紧密的晶体结构使其难以“掺杂”，这是在生产过程中调节半导体电子特性的常用方法，因此阻碍了金刚石在电子和光电子器件中的工业应用
一种可能的替代方法是通过“应变工程”，即施加非常大的晶格应变，以改变电子能带结构和相关的功能特性
但由于其极高的硬度，钻石被认为“不可能”
然后在2018年，博士
陆和他的合作者发现，令人惊讶的是，纳米级的金刚石可以在意想不到的大的局部应变下弹性弯曲
这一发现表明，通过弹性应变工程改变金刚石的物理性质是可能的
在此基础上，最新的研究表明如何利用这一现象来开发功能性金刚石器件
微加工金刚石桥样品拉伸应变示意图
学分:党超群/香港城市大学 样品上均匀的拉伸应变 该团队首先从实心金刚石单晶中微加工出单晶金刚石样品
样品呈桥状——长约一微米，宽约300纳米，两端较宽，便于抓握(见图:钻石桥的拉伸应变)
然后在电子显微镜下以良好控制的方式单轴拉伸金刚石桥
在定量拉伸试验的连续和可控加载-卸载循环下，金刚石桥表现出高度均匀的大弹性变形，约为7
试样整个规格部分的应变为5%,而不是弯曲时局部区域的变形
卸载后，它们恢复了原来的形状
通过使用美国测试和材料学会(美国材料试验学会)标准进一步优化样品几何形状，他们获得了最高9的最大均匀拉伸应变
7%，甚至超过了2018年研究中的最大局部值，接近钻石的理论弹性极限
更重要的是，为了演示应变金刚石器件的概念，研究小组还实现了微加工金刚石阵列的弹性应变
通过弹性应变调节带隙 该小组随后进行了密度泛函理论(DFT)计算，以估计0-12%的弹性应变对钻石电子特性的影响
模拟结果表明，随着拉伸应变的增加，金刚石的带隙普遍减小，在特定的晶向，当应变约为9%时，最大带隙减小速率从约5 eV下降到3 eV
该团队对预应变金刚石样品进行了电子能量损失光谱分析，并验证了这种带隙减小的趋势
他们的计算结果还表明，有趣的是，随着沿另一个晶向的拉伸应变大于9%，带隙可以从间接变为直接
半导体中的直接带隙意味着电子可以直接发射光子，从而使许多光电应用具有更高的效率
这些发现是实现微加工金刚石的深弹性应变工程的第一步
通过纳米机械方法，该团队证明了钻石的能带结构可以改变，更重要的是，这些变化可以是连续和可逆的，允许不同的应用，从微/纳米机电系统(微机电系统/NEMS)，应变工程晶体管，到新的光电和量子技术
“我相信一个钻石的新时代就在我们面前，”博士说
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