拉伸金刚石已接近极限

诸平

众所周知，金刚石是自然界最硬的物质，被认为是不可弯曲的，但是薄的样品实际上可以弹性变形。在金刚石上施加相对大量的应变可能会改变其电子特性，这在许多应用中都引起人们的兴趣。香港城市大学(City University of Hong Kong)的研究人员就制备出沿不同晶体学方向弹性拉伸的微米级金刚石板。这些相对较大的样本表明，可以在更均匀的金刚石样本中完成深应变工程，并且可能会对电子性能产生重大影响。相关研究结果已经在2021年1月1日出版的《科学》（Science）杂志印刷版发表——Chaoqun Dang, Jyh-Pin Chou, Bing Dai, Chang-Ti Chou, Yang Yang, Rong Fan, Weitong Lin, Fanling Meng, Alice Hu, Jiaqi Zhu, Jiecai Han, Andrew M. Minor, Ju Li, Yang Lu. Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond. Science,  01 Jan 2021: Vol. 371, Issue 6524, pp. 76-78. DOI: 10.1126/science.abc4174

金刚石是自然界最坚硬的物质。但出乎意料的是，作为一种优秀的电子材料，它也具有巨大的潜力。由香港城市大学领导的联合研究小组首次通过纳米力学方法，展示了微晶金刚石阵列的大而均匀的拉伸弹性应变。他们的发现显示了这种潜力将形变金刚石作为微电子学、光子学和量子信息技术中先进功能器件的主要候选材料。

该研究由香港城市大学机械工程系副教授陆洋博士（Dr. Lu Yang音译）和来自美国麻省理工学院(MIT)和哈尔滨工业大学(HIT)的研究人员共同领导。他们的发现于2021年1月1日已经在著名的《科学》杂志上发表，题为“在微加工金刚石中实现大的均匀拉伸弹性（Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond）”。

陆洋博士说:“这是第一次显示出金刚石在拉伸作用下具有极大的均匀弹性实验。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’来开发电子设备的可能性。”

金刚石:电子材料的“珠穆朗玛峰”

金刚石因其硬度而闻名，其工业用途通常是切割、钻孔或研磨。而金刚石又因其超高的导热系数、优异的载流子迁移率、高击穿强度和超宽的带隙而被认为是一种高性能的电子光子材料。带隙是半导体的一个重要特性，宽的带隙允许大功率或高频器件的工作。“这就是为什么金刚石可以被认为是电子材料的‘珠穆朗玛峰’，是因为它拥有所有这些优良的性能，”陆洋博士说。

然而，由于金刚石的大禁带和紧凑的晶体结构，使得在生产过程中调制半导体电子性能的常用方法“掺杂”难以实现，阻碍了金刚石在电子和光电子器件中的工业应用。一种可能的方法是通过“应变工程”，即应用非常大的晶格应变，来改变电子带结构和相关的功能性质。但由于金刚石具有极高的硬度，这被认为是“不可能的”。

然而，在2018年，陆洋博士和他的同事们惊奇地发现，纳米级的金刚石可以在意想不到的大局部应变下发生弹性弯曲。这一发现表明，通过弹性应变工程改变金刚石的物理性质是可能的。在此基础上，最新的研究表明如何利用这一现象开发功能性金刚石器件。

金刚石不仅是自然界中最坚硬的材料，而且还是具有超宽带隙，出色的载流子迁移率和导热性的极限电子材料。应变金刚石可以为设备应用带来如此优异的品质。陆洋博士等人在室温下沿[100]，[101]和[111]方向对长度约1 μm，宽度约100 nm的单晶金刚石桥结构进行了微加工，并在单轴拉伸载荷下获得了样品范围内的均匀弹性应变。研究者还展示了金刚石微桥阵列的深弹性应变。超大的，高度可控的弹性应变可以从根本上改变金刚石的体带结构，包括可计算出的约2 eV的带隙降低。此演示突出了深度弹性应变工程在光子学、电子学和量子信息技术方面的巨大应用潜力。

试样的均匀拉伸应变

该研究小组首先从固体金刚石单晶中制备了单晶金刚石样品。这些样品呈桥状，大约1μm长，300 nm宽，两端更宽，便于夹持(见图片:钻石桥的拉伸变形)。然后，金刚石桥在电子显微镜下以控制良好的方式单轴拉伸。在连续可控加卸载的定量拉伸试验循环下，金刚石桥在整个试件测量截面上表现出高度均匀的大弹性变形，约为7.5%的应变，而不是弯曲局部区域的变形。卸载后，它们恢复了原来的形状。

采用美国材料与试验学会(ASTM)标准对样品几何结构进行进一步优化，最大均匀拉伸应变达到9.7%，甚至超过了2018年研究的局部最大值，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装置的概念，该团队还实现了微晶金刚石阵列的弹性应变。

通过弹性应变调节带隙

研究小组随后进行了密度泛函理论(DFT)计算，以估计弹性应变从0到12%对金刚石电子特性的影响。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%左右的应变下，沿特定晶体取向（crystalline orientation）的禁带宽度最大减小率从5 eV左右减小到3 eV左右。该团队对预拉伸的金刚石样品进行了电子能量损失光谱分析，并证实了这种带隙减小的趋势。

他们的计算结果还表明，有趣的是，当沿另一个晶体取向拉伸应变大于9%时，带隙可以由间接转变为直接。半导体中的直接带隙是指电子可以直接发射光子，使许多光电应用具有更高的效率。

这些发现是实现微加工金刚石深度弹性应变工程的早期步骤。通过纳米力学方法，该团队证明了金刚石的能带结构可以改变，更重要的是，这些改变可以是连续和可逆的，允许不同的应用，从微/纳米机电系统(micro/nanoelectromechanical systems, MEMS/NEMS)、应变工程晶体管到新颖的光电和量子技术。陆洋博士说:“我相信金刚石的新时代就在我们面前。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Stretching diamond to the limit

Diamond is thought of as being unbendable, but thin samples can actually deform elastically. Applying relatively large amounts of strain to diamond may shift its electronic properties, which is of interest for a number of applications. Dang et al. elastically stretched micrometer-sized plates of diamond along different crystallographic directions. These relatively large samples show that deep-strain engineering can be accomplished in more uniform diamond specimens and may have a large impact on the electronic properties.

Science, this issue p. 76

Abstract

Diamond is not only the hardest material in nature, but is also an extreme electronic material with an ultrawide bandgap, exceptional carrier mobilities, and thermal conductivity. Straining diamond can push such extreme figures of merit for device applications. We microfabricated single-crystalline diamond bridge structures with ~1 micrometer length by ~100 nanometer width and achieved sample-wide uniform elastic strains under uniaxial tensile loading along the [100], [101], and [111] directions at room temperature. We also demonstrated deep elastic straining of diamond microbridge arrays. The ultralarge, highly controllable elastic strains can fundamentally change the bulk band structures of diamond, including a substantial calculated bandgap reduction as much as ~2 electron volts. Our demonstration highlights the immense application potential of deep elastic strain engineering for photonics, electronics, and quantum information technologies.