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）与量子通信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，且达到前所未有的水准；而这项研究可令钻石在微电子、光子学与量子通信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表在「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��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元件的一个障碍。
为此，研究团队改以所谓的应变工程（Strain Engineering）来克服此一挑战。应变工程通常是半导体制程中，透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元件上。
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，再透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，成功使得部份样品实现了高达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元件性能，并让更多光电应用具有更高效率。


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