近日，從香港城市大學(xué)深圳研究院納米制造實驗室（Nano-Manufacturing Laboratory，NML)獲悉，該實驗室主任陸洋教授的微納米力學(xué)研究課題組將迎來又一重要“干將”——畢業(yè)于英國布里斯托大學(xué)的楊麗民博士已加入實驗室跟隨陸洋教授從事博士后研究，在陸洋教授課題組繼續(xù)其所專注的化學(xué)氣相沉積法合成單晶金剛石及金剛石半導(dǎo)體科研工作。

       金剛石集寬禁帶、高擊穿場強、高熱導(dǎo)率和高電子遷移率等優(yōu)點于一身，被越來越多科學(xué)家們視為“終極半導(dǎo)體”。作為該領(lǐng)域的先行者，香港城市大學(xué)深圳研究院納米制造實驗室主任陸洋教授帶領(lǐng)課題組，首次通過微納米力學(xué)應(yīng)用，創(chuàng)造性地將“應(yīng)變工程”應(yīng)用到微納米尺度的金剛石，先后成功實現(xiàn)單晶金剛石納米針的超大彈性彎曲應(yīng)變（Science 2018）以及微加工金剛石微橋陣列的接近10%的超大均勻彈性拉伸應(yīng)變(Science 2021)，并通過理論計算和初步實驗結(jié)果驗證了通過“彈性應(yīng)變工程”深度調(diào)控金剛石禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)的可行性，為實現(xiàn)金剛石微電子和光電子器件提供了全新的一條技術(shù)路線和顛覆性解決方案，使金剛石技術(shù)的應(yīng)用場景大幅增加，為金剛石半導(dǎo)體微納制造賦能，成效卓著。我們本期對陸洋教授進行采訪，零距離探討金剛石半導(dǎo)體微納制造的創(chuàng)新故事和話題。

“5G時代”半導(dǎo)體材料大PK，誰更優(yōu)

       信息化時代的腳步全面邁入5G，半導(dǎo)體技術(shù)尤其是其材料甄選，是決定5G信息應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。在談到半導(dǎo)體材料孰優(yōu)孰劣時，陸教授表示：5G時代涌現(xiàn)的第三代半導(dǎo)體雖不是一項全新的技術(shù)，但在5G和電動車時代，第三代半導(dǎo)體明顯呈現(xiàn)出第一代、第二代半導(dǎo)體無可比擬的優(yōu)勢，在抗高壓、耐高溫、能量損耗和能量密度等方面上功能顯著。并且，相比于在摩爾定律的演進下不斷追趕更小尺寸的芯片，第三代半導(dǎo)體器件完全可以采用現(xiàn)有的大尺寸器件加工平臺完成。這是我國大陸目前適合發(fā)展的重要方向，另外，在第三代及新興半導(dǎo)體上，中外研究水平和企業(yè)技術(shù)實力相對接近。

      據(jù)介紹，5G第三代半導(dǎo)體應(yīng)用中可供選擇的兩種主要材料是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）。而具備更寬帶隙的氧化鎵（Ga2O3）、氮化鋁（AlN）和金剛石又被稱為第四代半導(dǎo)體。其中，金剛石因為其超硬的物理特性，被冠以“最硬最鋒利的工業(yè)牙齒”的美譽。航空航天、國防軍工以及光伏與電子信息等領(lǐng)域里的各種高難度材料加工難題，在它面前都可以迎刃而解。除此之外，金剛石還被業(yè)界公認為“終極半導(dǎo)體”，有專家們甚至表示“金剛石可能會是延續(xù)硅時代摩爾定律的明星材料”。

“應(yīng)變工程”為金剛石半導(dǎo)體應(yīng)用開新路

       陸洋教授專門從事微納米力學(xué)研究，自2012年從美國回到香港獨立做科研開始，他在金剛石領(lǐng)域深入研究至今已經(jīng)近10年，是金剛石半導(dǎo)體微納米技術(shù)“高度沉浸者”。他表示：相比金屬材料，半導(dǎo)體材料里有許多有趣的物理現(xiàn)象，因此我們的研究出發(fā)點不只是單純地將材料變得更強更硬，而是希望通過微納米力學(xué)作為一種調(diào)控手段來改變和促進半導(dǎo)體功能性質(zhì)的應(yīng)用。如今隨著科技的飛速發(fā)展，人造金剛石的技術(shù)愈發(fā)成熟，成本越來越低，金剛石半導(dǎo)體將迎來新的發(fā)展，在“應(yīng)變工程”的加持下，金剛石在微電子和光電技術(shù)的應(yīng)用場景也大幅增加。

       在一次聯(lián)合城大超金剛石及先進薄膜研究中心及麻省理工學(xué)院（MIT）等共同探索金剛石微納力學(xué)的研發(fā)項目中，陸洋教授帶領(lǐng)課題組在實驗中突破性地發(fā)現(xiàn)，金剛石這種 “最硬的” 材料當特征尺寸縮小到納米尺度其不僅可以彎曲，甚至還可發(fā)生顯著彈性變形，局部最大變形量達到接近9%。

       于是，以這一發(fā)現(xiàn)為突破口，陸洋教授課題組開始持續(xù)深度鉆研“應(yīng)變金剛石”的半導(dǎo)體應(yīng)用潛力及其在微納尺度下“彈性應(yīng)變工程”，并因此為行業(yè)發(fā)展帶來新的啟發(fā)。他與哈工大合作團隊首次采用基于大尺寸單晶金剛石的微加工，在室溫下沿 [100]、[101] 和 [111] 等不同晶體學(xué)方向?qū)﹂L度約1-2微米，寬度約 100-300 納米的單晶金剛石微橋結(jié)構(gòu)，進行原位力學(xué)加載，并在單軸拉伸載荷下實現(xiàn)了金剛石接近10%的均勻“彈性應(yīng)變”，接近金剛石的理論彈性極限。與此同時，研究團隊與麻省理工和勞倫斯伯克利實驗室的科學(xué)家通過理論模擬和原位電鏡EELS實驗進一步展示了通過對微加工的金剛石進行‘深層彈性應(yīng)變工程’（deep elastic strain engineering），減小其電子能帶隙并有可能實現(xiàn)從間接帶隙到直接帶隙轉(zhuǎn)變，帶來研制新型電子器件的可能性，在光子學(xué)、電子學(xué)和量子信息技術(shù)方面的巨大應(yīng)用潛力。陸洋教授這一項研究成果，于2021年1月1日發(fā)表在國際頂級期刊《Science》，引起業(yè)界轟動。

“精進管理”成就微納制造高效平臺

       目前，在城大和深圳市科創(chuàng)委的支持下，陸洋教授領(lǐng)導(dǎo)下的香港城市大學(xué)深圳研究院納米制造實驗室（Nano-Manufacturing Laboratory，NML)正走在國內(nèi)金剛石半導(dǎo)體微納制造的技術(shù)前沿，同時也是業(yè)界領(lǐng)先的高精度微納制造平臺，不斷為金屬及半導(dǎo)體機械超材料和器件領(lǐng)域探索先進的技術(shù)和知識。

       讓人覺得意外，陸洋教授并不單單只講技術(shù)，還非常注重管理。在談到香港城市大學(xué)深圳研究院納米制造實驗室的平臺成長時，陸洋教授深有感觸：“（實驗室）能有今天的初步成功，除了技術(shù)上的突破，離不開團隊的精進管理。我們推行的這套‘精進管理’，其內(nèi)核就是以人才為本，不斷改進、改進，再改進。金剛石半導(dǎo)體微納米制造研發(fā)是一個不斷試錯和改進的過程，管理上我倡導(dǎo)每一個博士生，每一位在站博士后都是獨當一面的主人公，同時又是能協(xié)同共進的集體，人人都有發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的權(quán)力，也都能盡情發(fā)表自己的觀點，每一個人都能暢所欲言，不畏懼失敗，才能思維開闊，大家一起合作才能心情舒暢…這樣才能最大程度地調(diào)動大家積極創(chuàng)新的熱情，有利于打破常規(guī)實現(xiàn)技術(shù)上的突破?！倍录尤氲臈铥惷癫┦空沁@樣一位代表，目前他正在結(jié)合理論模擬與實驗，嘗試挑戰(zhàn)“金剛石的n型摻雜”這一行業(yè)內(nèi)公認的頂尖難題。

       陸洋教授與合作團隊首次實現(xiàn)了金剛石的深度彈性變形，相關(guān)成果發(fā)表在Science等權(quán)威期刊，并獲得多項資助。陸教授本人也獲得了首屆國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金（港澳）的資助，并入選了香港研究資助局的首屆“研資局研究學(xué)者（RFS）”項目。
       顯然，通過深度應(yīng)變微加工金剛石，實現(xiàn)極大、可逆、均勻的彈性變形以及電子性能的調(diào)控，為新一代微電子科技開拓了新方向，但金剛石進入大規(guī)模的微電子產(chǎn)業(yè)應(yīng)用目前仍然存在巨大挑戰(zhàn)，仍然需要多領(lǐng)域、交叉學(xué)科的研究人員和產(chǎn)業(yè)專家共同努力才能積極推進，才能讓其作為“碳基半導(dǎo)體”在有別于石墨烯和碳納米管的另一條潛在賽道上實現(xiàn)我國半導(dǎo)體技術(shù)的“彎道超車”。陸洋教授迫切期望能有更多不同領(lǐng)域的研究者、投資者可以加入到金剛石寬禁帶半導(dǎo)體的探索及小范圍應(yīng)用嘗試中，共同努力讓這種極具價值的尖端電子材料早日廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活等各個領(lǐng)域，以造福社會，造福人民。