科學家實現「鑽石」拉伸應變有望用於微電子、光電技術

2021-01-11 網易新聞

鑽石有望成為未來微電子（Microelectronics）、光子學（Photonics）與量子信息技術應用的關鍵材料。由香港城市大學領導的聯合研究團隊近日宣布，已成功實現鑽石的均勻彈性拉伸應變，且達到前所沒有的水準；而這項研究可令鑽石在微電子、光子學與量子信息技術的應用進入嶄新時代。

香港城市大學機械工程學系副教授陸洋帶領的團隊與麻省理工、哈爾濱工業大學等學者合作展開這項研究，而研究結果顯示，微加工製造的單晶鑽石微橋拉伸樣品可實現高達9.7%的最大均勻拉伸應變，接近鑽石在理論上所能達到的彈性變形極限。而研究團隊也已將此成果發布在「科學（Science）」期刊上，題目為「實現微加工鑽石的超大均勻拉伸彈性（Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond）」。

香港城市大學研究指出，鑽石具有超高熱導率與出色載流子（carrier）遷移率，不僅是自然界最堅硬的材料，也是一種可容許大功率電壓的高性能電子材料。不過，鑽石的超寛帶隙（bandgap）及緊固的晶體結構會引起摻雜（dope）問題，也是影響鑽石應用到電子與光電組件的一個障礙。

為此，研究團隊改以所謂的應變工程（Strain Engineering）來克服該挑戰。應變工程通常是半導體製程中，通過調節電晶體溝道中的應變來實現性能優勢，這提高了電子遷移率，從而提高了通過溝道的導電性；而研究團隊則是以機械方式來控制與改變鑽石的電子特性。

鑽石橋拉伸應變示意圖。

事實上，研究團隊早於2018年便首次發現鑽石在納米等級下也能承受極大的彎曲變形，且還能完全恢復原狀；但是納米等級的鑽石樣品難以控制，所產生的應變分布也極不均勻且局限在較小的區域，因此並不適合應用於組件上。

因此，在之後的研究裡，團隊採用微製造單晶矽（Microfabricated single-crystalline）技術，先從高品質的鑽石上製造成橋狀的鑽石樣品。接著，再通過實驗室中的納米力學拉伸平臺，讓長度及厚度分別約為1微米及100納米的鑽石橋在整體上可往返拉伸至約7.5%的高度均勻彈性應變。

同時，研究團隊也參考美國材料與試驗協會的標準，進一步優化樣品的幾何形狀，成功使得部分樣品實現了高達9.7%的最大均勻拉伸應變。之後，研究團隊根據實驗中施加的拉伸應變量進行運算，發現鑽石的電子帶隙通常隨著拉伸應變的增加而減小，沿著一定的晶體取向，在約9%的應變下，鑽石擁有的帶隙從約5電子伏特（eV）降至3電子伏特，而這將大大促進鑽石的微電子應用並提高組件性能，並讓更多光電應用具有更高效率。

（圖片來源：香港城市大學）

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