该研究由城市大学机械工程系副教授陆洋博士和麻省理工学院(麻省理工学院)和哈尔滨工业大学。他们的发现最近发表在著名的科学杂志上科学,标题为“在微制造钻石中实现大型均匀拉伸弹性”。
“这是第一次通过拉伸实验显示金刚石具有极大的均匀弹性。我们的发现证明了通过微加工金刚石结构的‘深层弹性应变工程’开发电子设备的可能性,”卢博士说。
钻石:“珠穆朗玛峰”的电子材料
众所周知,钻石的工业应用通常是切割,钻孔或研磨。但由于其超高导热率,优异的电荷载流载流动性,高击穿强度和超宽带隙,钻石也被认为是一种高性能的电子和光子材料。带隙是半导体的关键属性,宽带隙允许操作大功率或高频设备。“这就是为什么钻石可以被视为电子材料的”珠穆朗玛峰“,具有所有这些优异的性质,”卢博士说。
然而,钻石的大带隙和紧密晶体结构使得难以“涂料”,是在生产过程中调制半导体的电子特性的常用方式,因此阻碍了钻石的电子和光电器件的工业应用。潜在的替代方案是通过“应变工程”,即施加非常大的晶格应变,改变电子频带结构和相关的功能性。但由于其极高的硬度,它被认为是钻石的“不可能”。
然后在2018年,卢博士和他的同事们惊奇地发现,纳米级的钻石可以在意想不到的大局部应变下发生弹性弯曲。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开发功能性金刚石器件。
试样的均匀拉伸应变
该团队首先是来自固体金刚石单晶的微型制订单晶金刚石样品。样品处于桥状形状 - 约一微米长,300纳米宽,两端宽夹持(参见图2)。然后在电子显微镜内以良好控制的方式单轴拉伸金刚石桥。在连续和可控装卸的定量拉伸试验的循环下,金刚石桥在样本的整个仪表部分上表现出高度均匀,大的弹性变形,而不是在弯曲的局部区域变形。他们在卸下后恢复了原来的形状。
采用美国材料与试验学会(ASTM)标准对样品几何结构进行进一步优化,最大均匀拉伸应变达到9.7%,甚至超过了2018年研究的局部最大值,接近金刚石的理论弹性极限。更重要的是,为了演示应变金刚石装置的概念,该团队还实现了微晶金刚石阵列的弹性应变。
通过弹性应变调节带隙
该团队然后执行密度泛函理论(DFT)计算,以估计弹性应变从钻石电子特性的0%到12%的影响。仿真结果表明,随着拉伸应变增加,金刚石的带隙通常降低,随着约5eV至3eV,沿着特定的结晶取向,大约5eV至3eV。该团队在预束性金刚石样品上进行了电子能损光谱分析,并验证了这种带隙降低趋势。
他们的计算结果还表明,有趣的是,当沿另一个晶体取向拉伸应变大于9%时,带隙可以由间接转变为直接。半导体中的直接带隙意味着电子可以直接发射光子,从而允许许多光电应用以更高的效率。
这些发现是实现微加工金刚石深度弹性应变工程的早期步骤。通过纳米力学方法,该团队证明了金刚石的能带结构可以改变,更重要的是,这些改变可以是连续和可逆的,允许不同的应用,从微/纳米机电系统(MEMS/NEMS)、应变工程晶体管,到新颖的光电和量子技术。“我相信钻石的新时代就在我们面前,”陆博士说。
参考:“在微制造钻石中实现大型均匀拉伸弹性”,由Chaoqun Dang,Jyh-Pin Chou,Bing Dai,Chang-Ti Chou,Yang Yang,Rong Fan,Weitong Lin,Menling Meng,Alice Hu,Jiaqi Zhu,Jiecai Han,Andrew M. Minor,Ju Li和Yang Lu,1月1日2021年,科学。
DOI:10.1126 / science.abc4174
鲁博士、上海城市大学跨国公司胡博士、麻省理工学院李菊教授、华中科技大学朱佳琪教授为论文通讯作者。共同第一作者为博士生党超群、前城市大学跨国公司博士后周志平博士、华中科技大学戴冰博士、国立交通大学周长体。城市大学的范荣博士和林伟通博士也参加了这个团队。其他合作研究人员来自劳伦斯伯克利国家实验室,加州大学,伯克利和南方科技大学。
城市大学的研究获香港研究资助局及国家自然科学基金资助。
第一个发表评论关于电子材料的“珠穆朗玛峰”:下一代微电子学的拉伸钻石