近日，來自香港城市大學Alice Hu和陸洋、哈爾濱工業(yè)大學朱嘉琦、麻省理工李巨等研究者，首次使用納米力學方法，實現(xiàn)了微晶金剛石陣列的大而均勻的拉伸彈性應變。該發(fā)現(xiàn)顯示了金剛石作為微電子學、光子學和量子信息技術(shù)中高級功能器件的主要候選材料的潛力。相關(guān)論文以題為“Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond”于2021年元月1日發(fā)表在國際頂級期刊Science上。

“這是第一次通過拉伸實驗顯示金剛石具有極大的均勻彈性。我們的發(fā)現(xiàn)證明了通過微加工金剛石結(jié)構(gòu)的‘深層彈性應變工程’開發(fā)電子設(shè)備的可能性?！毕愀鄢鞘写髮W副教授陸洋說。
       金剛石因其超高的導熱性、優(yōu)異的載流子遷移率、高擊穿強度和超寬帶隙而被認為是一種高性能的電子和光子材料。然而，由于金剛石的大帶隙和緊湊的晶體結(jié)構(gòu)，使得在生產(chǎn)過程中調(diào)制半導體電子性能的常用方法難以實現(xiàn)，阻礙了金剛石在電子和光電子器件中的工業(yè)應用。一種可能的方法是通過“應變工程”，即應用非常大的晶格應變，改變帶隙結(jié)構(gòu)和相關(guān)的功能性質(zhì)。但由于金剛石具有極高的硬度，這被認為是“不可能的”。
       之前，研究人員發(fā)現(xiàn)，納米級的鉆石可以在意想不到的大局部應變下發(fā)生彈性彎曲。在此基礎(chǔ)上，新研究表明了如何利用這一現(xiàn)象開發(fā)功能性金剛石器件。
       該團隊首先制備了樣品。這些樣品呈橋狀——大約1微米長、300納米寬，兩端更寬。然后，鉆石橋在電子顯微鏡下以控制良好的方式單軸拉伸。在連續(xù)可控的加載—卸載定量拉伸試驗循環(huán)下，金剛石橋在整個試件測量截面上表現(xiàn)出高度均勻的大彈性變形，約為7.5%，而不是彎曲局部的變形。之后，它們恢復了原來的形狀。
       研究人員對樣品幾何結(jié)構(gòu)進行了進一步優(yōu)化，最大均勻拉伸應變達到9.7%，甚至超過了2018年研究的局部最大值，接近金剛石的理論彈性極限。更重要的是，為了演示應變金剛石裝置的概念，該團隊還實現(xiàn)了微晶金剛石陣列的彈性應變。
       研究小組隨后進行了計算，以估計彈性應變從0到12%對鉆石電子特性的影響。模擬結(jié)果表明，隨著拉伸應變的增加，金剛石的帶隙寬度普遍減小，在9%的應變下，沿特定晶體取向的帶隙寬度能從5 eV左右減小到3 eV左右。
       專家認為，這證明了金剛石的帶隙結(jié)構(gòu)可以改變，更重要的是，這些改變可以是連續(xù)和可逆的，能適合不同的應用，從微/納米機電系統(tǒng)到光電和量子技術(shù)。

       文獻鏈接：

       https://science.sciencemag.org/content/371/6524/76