中国香港城市大学、哈尔滨工业大学和美国麻省理工学院等机构研究人员 ， 首次使用纳米力学方法 ， 实现了微晶金刚石阵列的大而均匀的拉伸弹性应变 。 该发现显示了金刚石作为微电子学、光子学和量子信息技术中高级功能器件的主要候选材料的潜力 。 相关论文近日刊登于《科学》
“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 。 ”香港城市大学副教授陆洋说 。
金刚石因其超高的导热性、优异的载流子迁移率、高击穿强度和超宽带隙而被认为是一种高性能的电子和光子材料 。 然而 ， 由于金刚石的大带隙和紧凑的晶体结构 ， 使得在生产过程中调制半导体电子性能的常用方法难以实现 ， 阻碍了金刚石在电子和光电子器件中的工业应用 。 一种可能的方法是通过“应变工程” ， 即应用非常大的晶格应变 ， 改变带隙结构和相关的功能性质 。 但由于金刚石具有极高的硬度 ， 这被认为是“不可能的” 。
之前 ， 研究人员发现 ， 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 。 在此基础上 ， 新研究表明了如何利用这一现象开发功能性金刚石器件 。
该团队首先制备了样品 。 这些样品呈桥状——大约1微米长、300纳米宽 ， 两端更宽 。 然后 ， 钻石桥在电子显微镜下以控制良好的方式单轴拉伸 。 在连续可控的加载—卸载定量拉伸试验循环下 ， 金刚石桥在整个试件测量截面上表现出高度均匀的大弹性变形 ， 约为7.5% ， 而不是弯曲局部的变形 。 之后 ， 它们恢复了原来的形状 。
研究人员对样品几何结构进行了进一步优化 ， 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 。
研究小组随后进行了计算 ， 以估计弹性应变从0到12%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 ， 金刚石的带隙宽度普遍减小 ， 在9%的应变下 ， 沿特定晶体取向的带隙宽度能从5 eV左右减小到3 eV左右 。
【拉伸金刚石打造下一代微电子器件】专家认为 ， 这证明了金刚石的带隙结构可以改变 ， 更重要的是 ， 这些改变可以是连续和可逆的 ， 能适合不同的应用 ， 从微/纳米机电系统到光电和量子技术 。
相关论文信息：http://dx.doi.org/10.1126/science.abc4174
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