突破性研究邁向新鑽石時代

黃穎嘉

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Dr Lu Yang (centre, front) and his research team: Dr Alice Hu (left, front); Dang Chaoqun (right, front); Lin Weitong (left, back) and Dr Fan Rong (right, back).
陸洋博士(前排中)和城大研究團隊,包括胡琪怡博士(前排左)、黨超群(前排右)、林為彤(後排左)及范蓉博士(後排右)。

 

由香港城市大學(城大)領導的聯合研究團隊成功實現鑽石的均勻彈性拉伸應變,達至前所未有的水平。這項突破可令鑽石在微電子、光子學與量子資訊技術的應用進入嶄新時代。

研究結果表明,微加工製造的單晶鑽石微橋拉伸樣品可實現高達9.7%的最大均勻拉伸應變,接近鑽石在理論上所能達到的彈性變形極限。

城大機械工程學系副教授陸洋博士與來自麻省理工學院及哈爾濱工業大學等學者合作,開展這項突破性研究。研究成果最近在著名的《科學》期刊上發表,題為「實現微加工鑽石的超大均勻拉伸彈性」。 

鑽石具有超高熱導率與出色載流子遷移率,不僅是自然界最堅硬的材料,也是一種可容許大功率電壓的高性能電子材料。

然而,鑽石的超寛帶隙及緊固晶體結構引起摻雜問題,也是影響鑽石應用到電子與光電器件的一個障礙。陸博士的團隊透過施加彈性晶格應變來解決這個問題,以機械方式來控制與改變鑽石的電子特性。

陸博士說:「我們這次從具有明確晶體取向的塊體單晶鑽石中微加工出橋狀微納陣列結構,在我們的原位電鏡拉伸平台下實現了幾乎全樣品範圍內超大均勻的拉伸彈性應變,並展示在拉伸應變中鑽石能帶結構的變化,從而改善其器件應用。」

A joint research team led by Dr Lu from CityU has successfully achieved the unprecedented elastic straining of diamond.
由城大陸洋博士領導的聯合研究團隊成功實現微加工鑽石的拉伸彈性應變,達至前所未有的水平。

 

陸博士及合作團隊在2018年首次發現鑽石在納米尺度下能承受極大彎曲變形並能完全恢復原狀;但是那些納米鑽石針樣品難以控制,所產生的應變分布也極不均勻且局限在較小的區域,對於器件應用並不理想。在是次研究中,團隊以先進微加工工序在大塊高質量人造鑽石晶體中製備鑽石微橋樣品。

實驗結果顯示,基於陸博士實驗室的納米力學拉伸平台,讓長度及厚度分別約為1微米及100納米的鑽石橋在整體上可往返拉伸至約7.5%的高度均勻彈性應變。

團隊參考美國材料與試驗協會的標準,進一步優化樣品的幾何形狀,成功使得部份樣品實現了高達9.7%的最大均勻拉伸應變。他指︰「這超出了我們在2018年彎曲鑽石研究中得到的局部應變最大值。」

為評估如此巨大的彈性應變對鑽石電子性能的影響,研究團隊根據實驗中施加的拉伸應變量進行了理論計算,發現鑽石的電子帶隙通常隨著拉伸應變的增加而減小,沿著一定的晶體取向,在約9%的應變下,鑽石擁有的帶隙從約5電子伏特降至3 電子伏特,這將大大促進鑽石的微電子應用並提高器件性能。

團隊更進一步成功微加工出具有多個微橋的金剛石陣列樣品,並實現了均勻並可逆的陣列拉伸應變,以演示應變鑽石裝置的概念。

陸博士表示︰「我相信人們即將迎來嶄新的鑽石時代。希望在不久的將來,拉伸鑽石能真正應用於電子器件的生產。」

此研究的通訊作者包括陸博士及同樣來自機械工程學系的胡琪怡博士,麻省理工學院李巨教授,哈爾濱工業大學朱嘉琦教授;共同第一作者包括城大機械工程學系黨超群博士與前博士後研究員周至品博士,哈爾濱工業大學代兵博士,台灣國立交通大學周常棣;其他研究員包括城大機械工程學系的范蓉博士林為彤。合作團隊亦包括來自勞倫斯伯克利國家實驗室及中國南方科技大學等研究人員。

該項研究得到香港研究資助局及國家自然科學基金等資助。
 

 

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