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一颗钻石能延伸多远?足以表示光电子性质

2021年1月16日通过路加福音詹姆斯

在半导体研究领域,钻石不仅仅是珠宝。一项新的研究表明,应变工程可能是解锁这种材料光电优点的关键。

我们都知道,钻石是最坚硬、最特殊的天然材料之一,具有一系列极端的物理特性,这使它们非常受欢迎。然而,它的潜力远远超出了它在珠宝上的应用。作为一种电子材料,它也具有巨大的潜力。

然后,钻石桥在电子显微镜下以控制良好的方式单轴拉伸

研究人员表示,拉伸微加工金刚石可以应用于下一代微电子学。图片由党超群解释道/香港城市大学

最近,香港城市大学(城大)联合研究小组使用用纳米力学方法证明微晶金刚石阵列的均匀弹性。研究人员表示,他们的发现已经显示出,在下一代微电子学、量子信息技术和光子学中,应变钻石有作为潜在候选器件的潜力。

金刚石作为电子材料

确切地说,钻石在电子应用方面的理论潜力并不是一个新发现。事实上,研究人员已经进行了一段时间的评估金刚石技术是硅的潜在替代品当摩尔定律不可避免地走到尽头时。

钻石的潜力在于其结构。钻石是一种宽禁带半导体。理论上,它的特性可以使电子设备在功率处理能力和工作电压方面超出现有系统的范围。例如,钻石的导热能力是铜的5倍,硅的22倍。它也是一个优秀的导体和绝缘体和它的高绝缘强度这意味着薄金刚石层可以隔离比目前技术大得多的电压。

各种半导体材料的功率处理与工作频率的比较

各种半导体材料及其功率处理与工作频率的比较。图片由AKHAN半导体

这些指标表明了更好的电子产品的潜力。但是,原始的天然钻石不能简单地用于电子设计。材料需要掺杂,而钻石的大带隙和紧密的晶体结构使这一过程变得困难。掺杂的问题阻碍了金刚石技术的发展及其在电子应用中的应用。

什么是应变工程?

研究人员一直在试验对抗兴奋剂的替代方案,其中一种方法被称为“应变工程”。应变工程是指在材料上施加较大的晶格应变,改变材料的电子能带结构和功能特性。

由于钻石的强度,在钻石上进行应变工程最初被认为是不可能的。然而,2018年,吕洋博士领导的城市大学研究团队,与哈尔滨工业大学(HIT)和麻省理工学院(MIT)的研究人员合作,发现纳米级金刚石在意想不到的大局部应变下可以发生弹性弯曲

基于这一发现,该团队的最新研究演示了这一现象如何可以用于开发功能性金刚石基器件。

研究人员创造了一座“钻石桥”

研究小组的第一步是用桥状的固体金刚石单晶制造微晶单晶金刚石样品。然后用电子显微镜对这些桥进行拉伸。

微晶金刚石桥试件在拉伸应变下的图像

微晶金刚石桥试件在拉伸应变下的图像。图片由党超群解释道/香港城市大学

当钻石桥经历循环的连续加载和卸载,他们表现出大的弹性变形,高度均匀,大约7.5%的应变。这颠覆了研究人员对局部区域变形的预期。通过优化试样的几何形状,他们获得了高达9.7%的最大拉伸应变,接近金刚石的理论弹性极限。

该团队还进行了密度泛函理论计算,表明金刚石的带隙一般随着拉伸应变的增加而减小。这些结果表明,带隙可以从间接转变为直接,这意味着电子可以直接发射光子,并有可能实现有效的光电应用。

根据研究人员的说法,这些发现是实现微加工金刚石深层弹性应变工程的重要早期步骤。随着进一步的开发和研究,这一过程和微金刚石的使用可能会导致不同的应用,从微电子系统到应变工程晶体管。

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