拉伸金刚石打造下一代微电子器件

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  中国香港城市大学、哈尔滨工业大学和美国麻省理工学院等机构研究人员,首次使用纳米力学方法,实现了微晶金刚石阵列的大而均匀的拉伸弹性应变。该发现显示了金刚石作为微电子学、光子学和量子信息技术中高级功能器件的主要候选材料的潜力。相关论文近日刊登于《科学》

  “这是第一次通过拉伸实验显示金刚石具有极大的均匀弹性。我们的发现证明了通过微加工金刚石结构的‘深层弹性应变工程’开发电子设备的可能性。”香港城市大学副教授陆洋说。

  金刚石因其超高的导热性、优异的载流子迁移率、高击穿强度和超宽带隙而被认为是一种高性能的电子和光子材料。然而,由于金刚石的大带隙和紧凑的晶体结构,使得在生产过程中调制半导体电子性能的常用方法难以实现,阻碍了金刚石在电子和光电子器件中的工业应用。一种可能的方法是通过“应变工程”,即应用非常大的晶格应变,改变带隙结构和相关的功能性质。但由于金刚石具有极高的硬度,这被认为是“不可能的”。

  之前,研究人员发现,纳米级的钻石可以在意想不到的大局部应变下发生弹性弯曲。在此基础上,新研究表明了如何利用这一现象开发功能性金刚石器件。

  该团队首先制备了样品。这些样品呈桥状——大约1微米长、300纳米宽,两端更宽。然后,钻石桥在电子显微镜下以控制良好的方式单轴拉伸。在连续可控的加载—卸载定量拉伸试验循环下,金刚石桥在整个试件测量截面上表现出高度均匀的大弹性变形,约为7.5%,而不是弯曲局部的变形。之后,它们恢复了原来的形状。

  研究人员对样品几何结构进行了进一步优化,最大均匀拉伸应变达到9.7%,甚至超过了2018年研究的局部最大值,接近金刚石的理论弹性极限。更重要的是,为了演示应变金刚石装置的概念,该团队还实现了微晶金刚石阵列的弹性应变。

  研究小组随后进行了计算,以估计弹性应变从0到12%对钻石电子特性的影响。模拟结果表明,随着拉伸应变的增加,金刚石的带隙宽度普遍减小,在9%的应变下,沿特定晶体取向的带隙宽度能从5 eV左右减小到3 eV左右。

  专家认为,这证明了金刚石的带隙结构可以改变,更重要的是,这些改变可以是连续和可逆的,能适合不同的应用,从微/纳米机电系统到光电和量子技术。

  相关论文信息:http://dx.doi.org/10.1126/science.abc4174

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