金刚石微波功率器件,金刚石电子结构

来自香港城市大学、哈尔滨工业大学、麻省理工学院等的研究人员。首次利用纳米力学方法实现了微晶金刚石阵列大而均匀的拉伸弹性应变。这一发现显示了金刚石作为微电子学、光子学和量子信息技术中高级功能器件的主要候选材料的潜力。

“这是拉伸实验第一次表明金刚石具有很大的均匀弹性。我们的发现证明了通过微加工金刚石结构的“深弹性应变工程”开发电子设备是可能的。香港城市大学副教授陆洋说。

金刚石具有超高的热导率、优异的载流子迁移率、高击穿强度和超宽带隙，被认为是一种高性能的电子和光子材料。然而，由于金刚石的禁带较大，晶体结构致密，在生产过程中很难实现调制半导体电子性质的常用方法，这阻碍了金刚石在电子和光电器件中的工业应用。一种可能的方法是通过“应变工程”，即施加非常大的晶格应变，改变带隙结构和相关的功能性质。然而，由于钻石的硬度极高，这被认为是“不可能的”。

此前，研究人员发现，纳米尺寸的钻石可以在意想不到的大局部应变下弹性弯曲。在此基础上，新的研究显示了如何利用这一现象来开发功能性钻石器件。

该小组首先准备了样品。这些样品呈桥状——约1微米长，300纳米宽，两端更宽。然后，在电子显微镜下以良好控制的方式单轴拉伸金刚石桥。在连续可控的加卸载定量拉伸试验循环下，金刚石桥在试件的整个测量截面上表现出高度均匀的大弹性变形，约为7.5%，而不是弯曲的局部变形。之后又恢复了原形。

研究人员进一步优化了样品的几何结构，最大均匀拉伸应变达到9.7%，甚至超过了2018年的局部最大值，接近金刚石的理论弹性极限。更重要的是，为了演示应变金刚石器件的概念，团队还实现了微晶金刚石阵列的弹性应变。

研究小组随后进行了计算，以估计弹性应变从0到12%对钻石电子属性的影响。模拟结果表明，随着拉伸应变的增加，金刚石的禁带宽度普遍减小。在9%的应变下，沿着特定晶体取向的带隙宽度可以从大约5eV减小到大约3eV。

专家认为，这证明了钻石的带隙结构是可以改变的。更重要的是，这些变化可以是连续的和可逆的，可以适用于不同的应用，从微/纳米机电系统到光电和量子技术。