电子材料的“珠穆朗玛峰”:下一代微电子学的延伸钻石

微电子学中金刚石的拉伸

微晶金刚石的拉伸为其在下一代微电子学中的应用铺平了道路。资料来源:党超群/香港城市大学

钻石是最难的物质。但是出于许多期望,它也具有出色的电子材料潜力。由香港城市大学(Coutchu)领导的联合研究团队首次展示了通过纳米机械方法的微制造金刚石阵列的大型均匀拉伸弹性紧张。他们的研究结果表明,作为微电子,光子学和量子信息技术的先进功能装置的素候选,他们的研究结果表明了应变钻石。

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。

钻石桥的拉伸拉力

微晶金刚石桥试件的拉伸变形示意图。资料来源:党超群/香港城市大学

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。

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