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鄭州華晶金剛石股份有限公司

拉伸金剛石打造下一代微電子器件

關(guān)鍵詞 金剛石 , 電子器件|2021-01-05 09:19:24|來(lái)源 中國(guó)科學(xué)報(bào)
摘要 近日,來(lái)自香港城市大學(xué)AliceHu和陸洋、哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱嘉琦、麻省理工李巨等研究者,首次使用納米力學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)了微晶金剛石陣列的大而均勻的拉伸彈性應(yīng)變。該發(fā)現(xiàn)顯示了金剛石作為微...

近日,來(lái)自香港城市大學(xué)Alice Hu和陸洋、哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱嘉琦、麻省理工李巨等研究者,首次使用納米力學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)了微晶金剛石陣列的大而均勻的拉伸彈性應(yīng)變。該發(fā)現(xiàn)顯示了金剛石作為微電子學(xué)、光子學(xué)和量子信息技術(shù)中高級(jí)功能器件的主要候選材料的潛力。相關(guān)論文以題為“Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond”于2021年元月1日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Science上。

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“這是第一次通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)顯示金剛石具有極大的均勻彈性。我們的發(fā)現(xiàn)證明了通過(guò)微加工金剛石結(jié)構(gòu)的‘深層彈性應(yīng)變工程’開(kāi)發(fā)電子設(shè)備的可能性?!毕愀鄢鞘写髮W(xué)副教授陸洋說(shuō)。
       金剛石因其超高的導(dǎo)熱性、優(yōu)異的載流子遷移率、高擊穿強(qiáng)度和超寬帶隙而被認(rèn)為是一種高性能的電子和光子材料。然而,由于金剛石的大帶隙和緊湊的晶體結(jié)構(gòu),使得在生產(chǎn)過(guò)程中調(diào)制半導(dǎo)體電子性能的常用方法難以實(shí)現(xiàn),阻礙了金剛石在電子和光電子器件中的工業(yè)應(yīng)用。一種可能的方法是通過(guò)“應(yīng)變工程”,即應(yīng)用非常大的晶格應(yīng)變,改變帶隙結(jié)構(gòu)和相關(guān)的功能性質(zhì)。但由于金剛石具有極高的硬度,這被認(rèn)為是“不可能的”。
       之前,研究人員發(fā)現(xiàn),納米級(jí)的鉆石可以在意想不到的大局部應(yīng)變下發(fā)生彈性彎曲。在此基礎(chǔ)上,新研究表明了如何利用這一現(xiàn)象開(kāi)發(fā)功能性金剛石器件。
       該團(tuán)隊(duì)首先制備了樣品。這些樣品呈橋狀——大約1微米長(zhǎng)、300納米寬,兩端更寬。然后,鉆石橋在電子顯微鏡下以控制良好的方式單軸拉伸。在連續(xù)可控的加載—卸載定量拉伸試驗(yàn)循環(huán)下,金剛石橋在整個(gè)試件測(cè)量截面上表現(xiàn)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。之后,它們恢復(fù)了原來(lái)的形狀。
       研究人員對(duì)樣品幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化,最大均勻拉伸應(yīng)變達(dá)到9.7%,甚至超過(guò)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(yīng)變金剛石裝置的概念,該團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了微晶金剛石陣列的彈性應(yīng)變。
       研究小組隨后進(jìn)行了計(jì)算,以估計(jì)彈性應(yīng)變從0到12%對(duì)鉆石電子特性的影響。模擬結(jié)果表明,隨著拉伸應(yīng)變的增加,金剛石的帶隙寬度普遍減小,在9%的應(yīng)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(rèn)為,這證明了金剛石的帶隙結(jié)構(gòu)可以改變,更重要的是,這些改變可以是連續(xù)和可逆的,能適合不同的應(yīng)用,從微/納米機(jī)電系統(tǒng)到光電和量子技術(shù)。

       文獻(xiàn)鏈接:

       https://science.sciencemag.org/content/371/6524/76

 

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