近日，香港大学陆洋教授团队的AMR述评文章“Deep Strain Engineering of Diamond for Functional Applications”在线发表。文章探讨了金刚石的深度应变工程的最新进展，重点强调微纳米力学在金刚石变形中的潜力并总结了应变金刚石在电子/光电和量子器件中的应用，同时展望了建立相关理论框架和实践应用仍面临的部分挑战。

关键词：深度应变工程、金刚石、功能应用

原文提要：

We believe that DSE positions diamond not merely as a mechanically extreme material but as a tunable semiconductor platform, with the potential to reimagine device performance in harsh environments, ultrahigh-power applications, and quantum technologies. 

我们相信，深度应变工程（DSE）将金刚石重新定位成不仅仅是一种极致力学材料，而是一个具有极端性能且可调谐的半导体/光量子平台，有望在恶劣环境、超高功率应用和量子传感等前沿技术中重塑器件性能。

文章内容简介

除了作为超硬材料，金刚石因其超宽带隙、超高热导率、卓越的载流子迁移率和高击穿电场等一系列非凡特性，被视为下一代高功率、高频和量子器件的革命性材料。然而，可靠的化学掺杂难题以及块体金刚石在应变下的脆性失效，制约了其在半导体器件中的实际应用。近年来，一种基于纳米力学的“深应变工程”（deep strain engineering, DSE）策略为实现金刚石电子性能的可控与深度调节提供了全新的解决方案。

“深应变工程”通过利用晶体材料的尺寸效应，将材料推向极大且均匀的弹性变形，接近甚至超越理论强度及弹性极限的1/2，扩展了传统“弹性应变工程”（ESE，通常定义为理论强度的1/10）的范畴。这一概念建立在近十年来微纳米力学研究进展的基础上，其中一个关键的里程碑是2016年首次在实验中对单晶硅纳米线实现室温下接近理论极限的超大弹性拉伸，而其高弹性拉伸应变（平均超过10%，最高达16%）超过理论极限一半的，因而称之为“深弹性应变”。进一步，对与硅晶体结构类似的金刚石而言，2018年中美科学家首次在对纳米直径的金刚石针弯曲实验中，实现了高达8.8%的超高拉伸应变，为运用深应变工程于金刚石这一超硬共价晶体体系开辟了道路。有理论研究表明在特定晶向的约9%单轴应变下，其带隙可由约5.5 eV降至约3.0-3.5 eV，并可能诱发间接带隙向直接带隙的转变，甚至实现可逆的金属化，同时保持声子结构的稳定性。2021年，科学家也首次在微加工的金刚石微桥结构及其阵列结构中，通过原位纳米力学方法，实现了接近10%且完全可恢复的均匀单轴拉伸应变，并实验验证了相应的电子能带隙的显著降低，为深应变工程作为金刚石宽禁带半导体材料的物理性能调控和优化提供了实证范例。

在此基础上，应变金刚石在电子和量子器件中可以实现广阔应用前景，包括紫外探测器、超导微机电系统（MEMS）、超导器件以及量子传感平台等，而应变作为一个重要的调控维度，具有十分重要的意义。然而，要将金刚石应变调控真正推向实际应用，亟需建立完整的基础理论体系，尤其需要深入理解金刚石在极端应变条件下的原子尺度变形机制与最终失效行为，并克服scale up以及应变锁定等难题。

您选择该领域的初心是？

作者团队：

应变工程手段是调控半导体材料物理性质的重要方法，Intel和IBM便借助“应变硅”技术提升场效应晶体管的器件运行速率。但是，相关材料通常仅能承受较小的弹塑性变形（<1%），极大地限制了其性能调控的空间。近年来，随着纳米力学和微纳制造领域的快速发展，通过制备纳米材料或减小材料特征尺寸，获得的“尺寸效应”可以显著提升晶体材料的强度和变形能力。这意味着微纳尺度下微电子与集成电路材料的极致力学性质及其导致的应变深度调控将对微/纳机电/机械系统（MEMS/NEMS）、柔性电子和半导体器件等领域带来前所未有的机遇。

您对该领域有何发展愿景？

作者团队：

深度应变工程将彻底改变金刚石的应用范式，助力其成为一个高度可调谐的半导体平台。未来，我们期待深应变金刚石在恶劣环境下的高性能电子/光电器件、超高功率器件应用以及前沿量子技术中发挥关键作用，为半导体领域的创新带来无限可能。深度应变工程也可作为一种辅助手段，通过弹性应变引起的晶格参数调制，降低杂质引入过程中的局域应变能与形成能，从而在一定程度上挑战金刚石因晶格高度致密而面临的掺杂难题。

您认为该领域当前最值得关注的热点是什么?

作者团队：

本领域目前值得探索的话题可以聚焦到如何将理论预测的极端弹性应变效应（如金属化、超导、间接到直接带隙转变等）在实验中可靠地实现（如应变固定，以及偶然塑性变形的控制），并以此推动应变金刚石的稳定化和规模化制备并加以利用。金刚石半导体这一概念自2018年起逐渐为大家所关注，自2021年起更进入到产业界的投资，目前已经成为欧美日等重点支持发展的新型技术领域，因此规模化量产金刚石晶圆用于其功能器件应用也是必然要经过的道路。此外，探索应变金刚石在新型量子传感和信息调控技术中的应用潜力，也是大家关注的方向。

作者团队简介

陆洋教授，现为香港大学机械工程系“纳米力学”讲席教授，建滔基金教授 （物料工程），工程学院副院长（内地事务）。香港青年科学院（YASHK）与香港工程院（HKAE）青年部成员。陆洋教授长期从事微纳米力学研究，致力于发展先进原位力学实验方法，揭示半导体及光电材料微观变形机制，阐明多场耦合下的力学与物理特性演化规律；并通过多尺度力学设计方法，发展微纳加工技术开发具有高性能的力学超构材料与半导体器件。他以第一或通讯作者在 Science、Nature Nanotechnology、Nature Materials等学术刊物发表文章300余篇，SCI总他引10000余次，并担任Materials Today和Science Advances的副主编，《国家科学评论》、《中国科学:技术科学》、《极端制造》、Acta Mechanica Sinica等期刊的编委。曾获得香港大学教育资助委员会「杰出青年学者奖」并入选首届香港研究资助局「研资局研究学者计划」；入选并完成首届国家自然科学基金优青（港澳）项目，并获批2025年度青年科学基金（A类）项目。

张洲洋，宁夏大学副教授。曾在香港城市大学、香港大学陆洋教授课题组从事博士后相关研究，2024年加入宁夏大学材料与新能源学院。研究方向聚焦于外场作用下材料结构转变机理的原位电子显微学解析以及先进功能材料的结构设计。

梁文俊，香港大学机械工程系博士研究生。研究方向集中在金刚石相关的生长、微纳加工以及在微机电系统（MEMS）和半导体器件中的应用。

杨丽民，香港城市大学机械工程系博士后。研究兴趣包括CVD金刚石生长、金刚石微加工和性能调控，旨在通过第一性原理计算和应变工程调控金刚石的半导体性能，推动下一代半导体技术的发展。

扫码阅读陆洋教授团队的精彩Account文章：

Deep Strain Engineering of Diamond for Functional Applications

Zhouyang Zhang, Wenjun Liang, Limin Yang, Ruochong Wang, Anliang Lu, and Yang Lu*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00212

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