金刚石：叩开下一代微电子的 “硬” 核之门

研究人员已经证明，金刚石可以在微尺度上均匀拉伸，从而显著调整其电子特性，为先进电子和量子技术给予变革潜力。

金刚石是自然界中最坚硬的材料。然而，出乎意料的是，它也极具潜力成为一种卓越的电子材料。由香港城市大学（香港城大）领导的联合研究团队首次利用纳米力学方法，演示了微加工钻石阵列的大规模均匀拉伸弹性应变。他们的研究成果展现了应变金刚石作为微电子、光子学和量子信息技术领域先进功能器件的潜力。

这项研究由香港城大机械工程系副教授陆阳博士以及麻省理工学院和哈尔滨工业大学的研究人员共同领导。他们的研究成果最近发表于权威科研期刊《科研》，题为《在微加工金刚石中实现大尺寸均匀拉伸弹性》。

这是首次顺利获得拉伸实验展示金刚石具有极高且均匀的弹性。我们的研究成果证明了顺利获得微加工金刚石结构的‘深度弹性应变工程’来开发电子设备的可能性。

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金刚石：电子材料界的“珠穆朗玛峰”

金刚石以其硬度而闻名，其工业应用通常为切割、钻孔或研磨。然而，金刚石也因其超高热导率、优异的载流子迁移率、高击穿强度和超宽带隙而被视为高性能电子和光子材料。带隙是半导体的关键特性，宽带隙允许高功率或高频器件运行。“正因如此，金刚石可以被视为电子材料中的‘珠穆朗玛峰’，因为它拥有所有这些优异的性能，”卢博士说道。

然而，金刚石的大带隙和致密的晶体结构使其难以进行“掺杂”（生产过程中调节半导体电子特性的常用方法），从而阻碍了金刚石在电子和光电子器件中的工业应用。一种潜在的替代方法是“应变工程”，即施加非常大的晶格应变，以改变电子能带结构及其相关的功能特性。但由于金刚石的硬度极高，这被认为是“不可能”的。

2018年，卢博士及其同事意外地发现，纳米级金刚石可以发生弹性弯曲，并产生意想不到的巨大局部应变。这一发现表明，顺利获得弹性应变工程改变金刚石的物理性质是可能的。基于此，最新研究展示了如何利用这一现象开发功能性金刚石器件。

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样品的均匀拉伸应变

该团队第一时间从一块实心金刚石单晶中微加工出单晶金刚石样品。这些样品呈桥状，长约1微米，宽约300纳米，两端较宽，便于夹持。随后，在电子显微镜下以精确控制的方式对金刚石桥进行单轴拉伸。在定量拉伸试验的陆续在可控加载-卸载循环下，金刚石桥表现出高度均匀、较大的弹性变形，应变约为7.5%，覆盖整个试样标称截面，而非在弯曲过程中局部变形。卸载后，金刚石桥恢复了原来的形状。 

顺利获得进一步优化样品几何形状，并参考美国材料与试验协会 (ASTM) 标准，他们实现了高达 9.7% 的最大均匀拉伸应变，甚至超过了 2018 年研究中的局部最大值，接近了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，该团队还实现了微加工金刚石阵列的弹性应变。

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顺利获得弹性应变调节带隙

随后，该团队进行了密度泛函理论 (DFT) 计算，以估算 0% 至 12% 的弹性应变对金刚石电子特性的影响。模拟结果表明，金刚石的带隙通常会随着拉伸应变的增加而减小，在沿特定晶体取向的应变约为 9% 时，带隙减小率最大，从约 5 eV 降至 3 eV。该团队对预应变金刚石样品进行了电子能量损失谱分析，并验证了这种带隙减小趋势。

他们的计算结果还表明，有趣的是，当拉伸应变沿另一个晶体取向大于9%时，带隙可以从间接带隙变为直接带隙。半导体中的直接带隙意味着电子可以直接发射光子，从而实现许多效率更高的光电应用。

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