金剛石不僅是自然界中最堅硬的材料，也是一種具有超寬帶隙、特殊載流子移動性和熱導率的極端電子材料。通常，金剛石被認為是不可彎曲的，但薄的樣品實際上可以有彈性變形。
近日，來自香港城市大學Alice Hu和陸洋、哈爾濱工業大學朱嘉琦、麻省理工李巨等研究者，以~100納米寬度製備了長度~1微米的單晶金剛石橋結構，並在室溫下沿[100]、[101]和[111]方向單軸拉伸載荷下獲得了樣品寬的均勻彈性應變。相關論文以題為「Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond」於2021年元月1日發表在國際頂級期刊Science上。
論文連結：
https://science.sciencemag.org/content/371/6524/76
金剛石，因其超高的導熱性、介電擊穿強度、載流子遷移率和超寬的帶隙，而成為電子和光子材料的珠穆朗瑪峰。實現金剛石基電子和光電器件的一個嚴重障礙是，其大禁帶及其晶體結構所帶來的摻雜挑戰。一個可能的解決方案是應用彈性晶格應變，它可以從根本上改變材料的性質。最近，通過彎曲納米金剛石針，證明了超大彈性變形。局部拉伸彈性應變，在幾十納米範圍內達到9%以上，強度接近金剛石的理論極限。這一發現表明，深度彈性應變工程(ESE)，可能會從根本上改變金剛石的物理性能，即在金剛石中誘導非常高的(>5%)拉伸和/或剪切彈性應變。
然而，人們需要在足夠大的容量中精確控制，以充分利用深度ESE在工業上非常大規模的集成。以往對金剛石的應變嘗試，往往受到彎曲使應變在小樣本體積內的限制，導致應變分布不均勻。這些樣品很難控制，產生的高應變場高度局域化。大的均勻彈性應變，通常是器件陣列的深層ESE的理想初始狀態。這一場景很難在微米尺度的樣品中實驗實現，例如在一個乾淨的晶圓中，因為眾所周知的「越小越強」的趨勢，這表明增大尺寸會削弱樣品。
在此，研究者展示了在拉伸載荷下微晶單晶金剛石橋的極大的、可逆的、均勻的彈性變形。為了獲得長度為~1μm、寬度為300 nm、具有明確幾何形狀和晶體取向的拉伸樣品，研究者採用了先進的微波等離子體輔助化學氣相沉積法，獲得塊狀單晶金剛石微加工工藝。研究者開發的工藝可以生產微米尺寸的高質量金剛石結構，這是微型機電系統(MEMS)、量子和光子器件、應變工程電晶體陣列和其他應用的主要候選材料。此外，研究者還演示了金剛石微橋陣列的深彈性應變。研究表明，超大的、高度可控的彈性應變可以從根本上改變金剛石的體帶結構，包括帶隙本徵值計算降低了多達2eV。
圖1 微晶單晶金剛石橋試件。
圖2 沿[101]方向加載-卸載拉伸試驗。
圖3 [100]-，[101]-和[111]取向鑽石的統計拉伸結果。
微米尺寸的單晶金剛石橋結構非常適合MEMS、光子器件、量子信息處理器和微電子或納米電子器件陣列的規模。大而均勻的彈性應變應該驅動帶隙的變化，研究者通過DFT模擬和EELS測量，證明了這一點。與此同時，該研究突出了深度彈性應變工程在光子學、電子學和量子信息技術方面的巨大應用潛力。（文：水生）
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