韓傑才院士團隊在金剛石單晶領域取得重大科研突破

2021-01-13 哈爾濱工業大學新聞網

哈工大報訊（航天/文）1月1日，我校與香港城市大學、麻省理工學院等單位合作，首次通過納米力學方法，展示了微晶金剛石陣列均勻的深彈性應變。該研究突出了深彈性應變工程在光子學、電子學和量子信息技術中的巨大應用潛力。研究成果以「微納金剛石單晶的超大均勻拉伸彈性」（Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond）為題，發表在科學在線（Science online）上，其中韓傑才院士團隊的朱嘉琦教授、青年教師代兵分別為共同通訊作者（陸洋、李巨、朱嘉琦、Alice Hu）和共同第一作者（黨超群、Jyh-Pin Chou、代兵、Chang-Ti Chou），我校為共同通訊作者和共同第一作者單位。

金剛石具有高硬度、超寬帶隙、出色的載流子遷移率和優異的導熱性能，是實現「後摩爾」時代電子、光電子和量子晶片的基礎性材料之一，目前最大的技術障礙在於實現帶隙的有效調控。由於金剛石結構緊湊，常規的N型摻雜目前進展緩慢。本研究發現，通過超大的彈性應變調控，可以從根本上改變金剛石的能帶結構，從而為彈性應變工程及單晶金剛石器件的應用提供基礎性和顛覆性解決方案。

納米級金剛石針被證明具有超大的彈性變形現象，局部拉伸彈性應變達到了9％以上，表明深彈性應變工程（ESE）在金剛石中產生非常高（> 5％）的拉伸和剪切彈性應變。但是上述的應變嘗試往往局限於小樣本體積內彎曲，導致應變分布不均勻，產生的高應變場會高度局部化。而在晶圓級、微米尺度樣品中實現大均勻彈性應變，以充分利用深彈性應變工程進行金剛石器件的大規模集成加工將更加具有學術和工程意義。

本研究在室溫下沿[100]，[101]和[111]方向對長度約1微米，寬度約100納米的單晶金剛石橋結構進行了精細加工，並在單軸拉伸載荷下獲得了樣品範圍內的均勻彈性應變，通過計算可實現單晶金剛石多達2eV的帶隙降低。

韓傑才院士、朱嘉琦教授團隊長期從事大尺寸單晶金剛石、前沿器件及裝備研製等研究，在國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持下，在英寸級單晶金剛石、金剛石增強導熱器件、日盲紫外探測、核素電池等方面取得階段性成果，有效支撐我校基礎研究和重大工程研發能力的提升。


研究成果發表

沿[101]方向的裝卸拉伸實驗

[100]，[101]和[111]取向金剛石的統計拉伸結果


原文連結：https://science.sciencemag.org/content/371/6524/76


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