拉伸金剛石打造下一代微電子器件(圖)


中國香港城市大學、哈爾濱工業大學和美國麻省理工學院等機構研究人員,首次使用納米力學方法,實現了微晶金剛石陣列的大而均勻的拉伸彈性應變。該發現顯示了金剛石作為微電子學、光子學和量子信息技術中高級功能器件的主要候選材料的潛力。相關論文近日刊登於《科學》

“這是第一次通過拉伸實驗顯示金剛石具有極大的均勻彈性。我們的發現證明了通過微加工金剛石結構的’深層彈性應變工程’開發電子設備的可能性。”香港城市大學副教授陸洋說。

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微晶金剛石樣品拉伸變形示意圖圖片來源:中國香​​港城市大學

金剛石因其超高的導熱性、優異的載流子遷移率、高擊穿強度和超寬帶隙而被認為是一種高性能的電子和光子材料。然而,由於金剛石的大帶隙和緊湊的晶體結構,使得在生產過程中調製半導體電子性能的常用方法難以實現,阻礙了金剛石在電子和光電子器件中的工業應用。一種可能的方法是通過“應變工程”,即應用非常大的晶格應變,改變帶隙結構和相關的功能性質。但由於金剛石具有極高的硬度,這被認為是“不可能的”。

之前,研究人員發現,納米級的鑽石可以在意想不到的大局部應變下發生彈性彎曲。在此基礎上,新研究表明瞭如何利用這一現像開發功能性金剛石器件。

該團隊首先製備了樣品。這些樣品呈橋狀——大約1微米長、300納米寬,兩端更寬。然後,鑽石橋在電子顯微鏡下以控制良好的方式單軸拉伸。在連續可控的加載—卸載定量拉伸試驗循環下,金剛石橋在整個試件測量截面上表現出高度均勻的大彈性變形,約為7.5%,而不是彎曲局部的變形。之後,它們恢復了原來的形狀。研究人員對樣品幾何結構進行了進一步優化,最大均勻拉伸應變達到9.7%,甚至超過了2018年研究的局部最大值,接近金剛石的理論彈性極限。更重要的是,為了演示應變金剛石裝置的概念,該團隊還實現了微晶金剛石陣列的彈性應變。

研究小組隨後進行了計算,以估計彈性應變從0到12%對鑽石電子特性的影響。模擬結果表明,隨著拉伸應變的增加,金剛石的帶隙寬度普遍減小,在9%的應變下,沿特定晶體取向的帶隙寬度能從5 eV左右減小到3 eV左右。

專家認為,這證明了金剛石的帶隙結構可以改變,更重要的是,這些改變可以是連續和可逆的,能適合不同的應用,從微/納米機電系統到光電和量子技術。