电子材料的“珠穆朗玛峰”:下一代微电子学的延伸钻石

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

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

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。