用於下一代電子產品的可拉伸鑽石
鑽石是自然界中最堅硬的材料。但是，出於許多期望，它作為一種出色的電子材料也具有巨大的潛力。由香港城市大學（CityU）領導的聯合研究小組首次通過納米力學方法展示了微細加工的金剛石陣列的大而均勻的拉伸彈性應變。他們的發現表明，應變金剛石有可能成為微電子，光子學和量子信息技術中高級功能器件的主要候選者。
這項研究由香港城市大學機械工程系（MNE）副教授陸陽博士以及麻省理工學院（MIT）和哈爾濱工業大學（HIT）的研究人員共同領導。他們的發現最近發表在著名的科學雜誌《科學》上（"在微型金剛石中實現大的均勻拉伸彈性"）。
陸博士說："這是通過拉伸實驗首次顯示出金剛石具有極大的均勻彈性。我們的發現表明，可以通過對微細加工的金剛石結構進行'深層彈性應變工程'來開發電子設備。"
微型金剛石橋樣品的拉伸應變示意圖
鑽石："珠穆朗瑪峰"電子材料
金剛石以其硬度而聞名，其工業應用通常是切割，鑽孔或磨削。但是，由於金剛石的超高導熱性，出色的電荷載流子遷移率，高擊穿強度和超寬帶隙，金剛石也被認為是一種高性能的電子和光子材料。帶隙是半導體的關鍵特性，寬帶隙允許大功率或高頻設備的運行。陸博士說："這就是為什麼鑽石可以被視為具有所有這些優異性能的電子材料的'珠穆朗瑪峰'。"
然而，金剛石的大帶隙和緊密的晶體結構使其難以"摻雜"，這是在生產過程中調節半導體電子特性的常用方法，因此阻礙了金剛石在電子和光電設備中的工業應用。一種潛在的選擇是通過"應變工程"，即施加非常大的晶格應變，以改變電子能帶結構和相關的功能特性。但是由於其極高的硬度，它被認為對鑽石"不可能"。
然後在2018年，陸博士和他的合作者發現，令人驚訝的是，納米級鑽石可以彈性彎曲並具有意想不到的大局部應變。這一發現表明通過彈性應變工程改變金剛石的物理性質是可能的。在此基礎上，最新研究表明了該現象如何用於開發功能性金剛石設備。
樣品上均勻的拉伸應變
該團隊首先從固態金剛石單晶中微製造了單晶金剛石樣品。樣品呈橋狀形狀-約1微米長，寬300納米，兩端更寬，便於抓握（見圖：鑽石橋的拉伸應變）。然後在電子顯微鏡內以良好控制的方式將金剛石橋單軸拉伸。在定量拉伸試驗的連續和可控制的加載/卸載循環下，金剛石橋在整個試樣截面上顯示出高度均勻，大的彈性變形，約7.5％的應變，而不是在彎曲的局部區域變形。卸載後，它們恢復了原始形狀。
通過使用美國材料試驗學會（ASTM）標準進一步優化樣品幾何形狀，他們獲得了高達9.7％的最大均勻拉伸應變，甚至超過了2018年研究中的最大局部值，並接近理論值鑽石的彈性極限。更重要的是，為了演示應變金剛石設備的概念，該團隊還實現了微加工金剛石陣列的彈性應變。
通過彈性應變調整帶隙
然後，研究小組進行了密度泛函理論（DFT）計算，以估計0至12％的彈性應變對鑽石電子性能的影響。模擬結果表明，金剛石的帶隙通常隨著拉伸應變的增加而減小，最大帶隙減小率沿特定的晶體取向在約9％的應變下從約5 eV降至3 eV。該團隊對預應變金剛石樣品進行了電子能量損失譜分析，並驗證了這種帶隙下降趨勢。
他們的計算結果還表明，有趣的是，帶隙可能會從間接改變為直接，而沿另一種晶體取向的拉伸應變大於9％時，帶隙也會改變。半導體中的直接帶隙意味著電子可以直接發射光子，從而使許多光電應用具有更高的效率。
這些發現是實現微細加工鑽石深彈性應變工程的早期步驟。通過納米機械方法，該團隊證明了鑽石的能帶結構可以改變，而且更重要的是，這些改變可以是連續和可逆的，從而允許從微/納米機電系統（MEMS / NEMS），應變工程電晶體到新型的不同應用光電子和量子技術。陸博士說："我相信鑽石的新時代已經到來。"