钻石(又名金刚石)是大自然里*硬的材料,而出乎许多人的意料,它其实是有巨大潜力,成为*的电子材料。由香港城市大学(香港城大)领导的*新研究便*成功展示了以纳米力学的方式,对微加工的金刚石阵列施加极大而均匀的弹性拉伸应变,以应用于微电子、光电和量子信息器件。
这次研究由香港城大机械工程学系副教授陆洋博士联同来自美国麻省理工学院和哈尔滨工业大学(哈工大)的研究人员联合领导。研究成果已于权威学术期刊《科学》(Science)上发表,题为〈Achievinglargeuniformtensileelasticityinmicrofabricateddiamond〉。
陆博士说︰“这是*透过拉伸实验,展示了金刚石极大和均匀的弹性。更重要是,我们的研究结果显示了可以透过对微加工的金刚石进行‘深层弹性应变工程’(deepelasticstrainengineering),来研制电子器件的可能性。”
金刚石︰电子材料的“珠穆朗玛峰”
凭着其超高硬度,金刚石于工业上*常被应用于切割、钻凿和研磨等机械领域,但其实它同时具有极高的热导率(传热能力)、载流子迁移率(即电流里带正极和负极的物质可在材料里自由移动的程度)、高电击穿强度和极阔的电子能带隙(bandgap),因而被视为*潜力的电子和光子材料。带隙是半导体里的一个重要特性,具宽带隙的材料可制备高功率或高频的器件。陆博士说︰“金刚石具备这些*特性,可被视为电子材料里的‘珠穆朗玛峰’。”
不过,金刚石的宽带隙,加上它紧固的晶体结构,使它难以掺杂入杂质——制造半导体过程中,常用来控制半导体特性的方法,因而限制了它在电子和光电器件领域的工业应用。其中一个潜在可以代替掺杂的方法便是利用“应变工程”,即透过对材料施加较大的晶格应变(latticestrain),从而改变材料的能带结构及其相关光电特性。不过,由于块体金刚石的极高硬度和脆性,这一策略长期被视为不可行。
直至2018年,陆博士与合作团队便发现了纳米尺度下的金刚石具有意想不到的高弹性,可局部地作大幅度的弹性屈曲。这一发现揭示了透过弹性应变工程,去改变金刚石的物理特性的可能性。基于此,这次*新研究便展示了如何利用这一现象去应用于微电子器件上。
实现均匀的拉伸弹性应变
团队首先对高质量单晶金刚石进行微加工,制备了微型单晶金刚石桥样品。样品呈“工”字形,两端较阔大,以便夹持着,进行拉伸测试,在中间的主体部分则幼长,约1微米长、100纳米宽,像桥梁般连接两端。团队然后在电子显微镜下,多次连续和可控地对金刚石微桥样品进行单一方向、加载与卸载的拉伸应变测试,样品的主体测量部位,呈现了极均匀的拉伸应变,高达7.5%,且在卸载后回复原来形状。
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