弹性拉伸金刚石 为新一代微电子科技开拓新方向

钻石(又名金刚石)是大自然里最硬的材料,而出乎许多人的意料,它其实是有巨大潜力,成为极佳的电子材料。由香港城市大学(香港城大)领导的最新研究便首次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〈Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond〉。

陆博士说︰“这是首次透过拉伸实验,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’(deep elastic strain engineering),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,金刚石于工业上最常被应用于切割、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),因而被视为极具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︰“金刚石具备这些极佳特性,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(lattice strain),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,这次最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(见下图),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。

弹性拉伸金刚石 为新一代微电子科技开拓新方向

对金刚石微桥样品进行拉伸应变测试的示意图。(图片来源︰Dang Chaoqun / City University of Hong Kong)  

团队进一步参考美国材料和试验协会(American Society for Testing and Materials, ASTM)标准,优化样品的几何形状,成功实现了最高均匀拉伸应变达9.7%,较2018年弯曲金刚石的研究里,局部拉伸应变的最高值还要高,接近金刚石弹性极限。

更重要的是,为展示应变金刚石器件的概念可行性,团队通过精密微加工技术也制备了单晶金刚石微桥阵列样品,并成功实现了其均匀和可恢复的大幅度拉伸应变。

利用弹性应变改变能隙

团队然后进行密度泛函理论模拟运算,评估金刚石的应变由0增到12%的过程里,对其能带结构和电子特性有何影响。模拟运算结果显示,通常而言,当拉伸应变增加时,金刚石带隙会随之减少;当应变沿着某一特定晶体方向(晶向)达至9%时,带隙由原本的大约5电子伏特降至3电子伏特,减幅最大。团队进而用电子能量损失谱(EELS)分析预应变的单晶金刚石样品,也印证了拉伸应变愈大、带隙愈小的这一趋势。

他们的模拟运算也显示,当顺着另一特定晶向的应变超过9%,带隙会由“间接带隙”(indirect bandgap)变为“直接带隙”。只会在半导体里出现的直接带隙,是指电子可直接跃迁并释放光子,不涉及动量的改变,因而可达致许多高效能的光电应用。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

这次研究结果展现了通过微加工金刚石,实现深层弹性应变工程的第一步。透过纳米力学方式,团队揭示了弹性应变可有效改变能带结构,而更重要的是,这些改变都是连续且可以复原的,因而可以作不同创新应用,由微纳机电系统(MEMS/NEMS)、应变工程晶体管,以至新型光电及量子信息技术。陆博士说︰“我相信,一个金刚石的新时代即将来临。”

陆教授与同样来自香港城大机械工程学系的胡琪怡博士、以及麻省理工的李巨教授和哈工大的朱嘉琦教授,均是论文的通讯作者。论文共同第一作者是香港城大机械工程学系博士毕业生党超群和前博士后研究员周至品博士、哈工大的代兵博士及台湾交通大学的周常棣。来自香港城大的团队成员还有范蓉博士林为彤。合作团队亦包括来自劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学柏克莱分校以及南方科技大学的研究人员。

这项研究获得香港研究资助局和国家自然科学基金会的资助进行。

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