半导体再现新材料!科学家实现“钻石”拉伸应变有望用于微电子、光电技术

钻石有望成为未来微电子(Microelectronics)、光子学(Photonics)与量子信息技术应用的关键材料。由香港城市大学领导的联合研究团队近日宣布,已成功实现钻石的均匀弹性拉伸应变,且达到前所没有的水准;而这项研究可令钻石在微电子、光子学与量子信息技术的应用进入崭新时代。

香港城市大学机械工程学系副教授陆洋带领的团队与麻省理工、哈尔滨工业大学等学者合作展开这项研究,而研究结果显示,微加工制造的单晶钻石微桥拉伸样品可实现高达9.7%的最大均匀拉伸应变,接近钻石在理论上所能达到的弹性变形极限。而研究团队也已将此成果发布在“科学(Science)”期刊上,题目为“实现微加工钻石的超大均匀拉伸弹性(Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond)”。

香港城市大学研究指出,钻石具有超高热导率与出色载流子(carrier)迁移率,不仅是自然界最坚硬的材料,也是一种可容许大功率电压的高性能电子材料。不过,钻石的超寛带隙(bandgap)及紧固的晶体结构会引起掺杂(dope)问题,也是影响钻石应用到电子与光电组件的一个障碍。

为此,研究团队改以所谓的应变工程(Strain Engineering)来克服该挑战。应变工程通常是半导体制程中,通过调节晶体管沟道中的应变来实现性能优势,这提高了电子迁移率,从而提高了通过沟道的导电性;而研究团队则是以机械方式来控制与改变钻石的电子特性。

钻石桥拉伸应变示意图。

事实上,研究团队早于2018年便首次发现钻石在纳米等级下也能承受极大的弯曲变形,且还能完全恢复原状;但是纳米等级的钻石样品难以控制,所产生的应变分布也极不均匀且局限在较小的区域,因此并不适合应用于组件上。

因此,在之后的研究里,团队采用微制造单晶硅(Microfabricated single-crystalline)技术,先从高品质的钻石上制造成桥状的钻石样品。接着,再通过实验室中的纳米力学拉伸平台,让长度及厚度分别约为1微米及100纳米的钻石桥在整体上可往返拉伸至约7.5%的高度均匀弹性应变。

同时,研究团队也参考美国材料与试验协会的标准,进一步优化样品的几何形状,成功使得部分样品实现了高达9.7%的最大均匀拉伸应变。之后,研究团队根据实验中施加的拉伸应变量进行运算,发现钻石的电子带隙通常随着拉伸应变的增加而减小,沿着一定的晶体取向,在约9%的应变下,钻石拥有的带隙从约5电子伏特(eV)降至3电子伏特,而这将大大促进钻石的微电子应用并提高组件性能,并让更多光电应用具有更高效率。

(图片来源:香港城市大学)

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