突破性研究邁向新鑽石時(shí)代
由香港城市大學(xué)（城大）領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)鑽石的均勻彈性拉伸應(yīng)變，達(dá)至前所未有的水平。這項(xiàng)突破可令鑽石在微電子、光子學(xué)與量子資訊技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)入嶄新時(shí)代。
研究結(jié)果表明，微加工製造的單晶鑽石微橋拉伸樣品可實(shí)現(xiàn)高達(dá)9.7%的最大均勻拉伸應(yīng)變，接近鑽石在理論上所能達(dá)到的彈性變形極限。
城大機(jī)械工程學(xué)系副教授陸洋博士與來自麻省理工學(xué)院及哈爾濱工業(yè)大學(xué)等學(xué)者合作，開展這項(xiàng)突破性研究。研究成果最近在著名的《科學(xué)》期刊上發(fā)表，題為「實(shí)現(xiàn)微加工鑽石的超大均勻拉伸彈性」。
鑽石具有超高熱導(dǎo)率與出色載流子遷移率，不僅是自然界最堅(jiān)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(jié)構(gòu)引起摻雜問題，也是影響鑽石應(yīng)用到電子與光電器件的一個(gè)障礙。陸博士的團(tuán)隊(duì)透過施加彈性晶格應(yīng)變來解決這個(gè)問題，以機(jī)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(jié)構(gòu)，在我們的原位電鏡拉伸平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了幾乎全樣品範(fàn)圍內(nèi)超大均勻的拉伸彈性應(yīng)變，並展示在拉伸應(yīng)變中鑽石能帶結(jié)構(gòu)的變化，從而改善其器件應(yīng)用。」
陸博士及合作團(tuán)隊(duì)在2018年首次發(fā)現(xiàn)鑽石在納米尺度下能承受極大彎曲變形並能完全恢復(fù)原狀；但是那些納米鑽石針樣品難以控制，所產(chǎn)生的應(yīng)變分布也極不均勻且局限在較小的區(qū)域，對(duì)於器件應(yīng)用並不理想。在是次研究中，團(tuán)隊(duì)以先進(jìn)微加工工序在大塊高質(zhì)量人造鑽石晶體中製備鑽石微橋樣品。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基於陸博士實(shí)驗(yàn)室的納米力學(xué)拉伸平臺(tái)，讓長(zhǎng)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(yīng)變。
團(tuán)隊(duì)參考美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步優(yōu)化樣品的幾何形狀，成功使得部份樣品實(shí)現(xiàn)了高達(dá)9.7%的最大均勻拉伸應(yīng)變。他指︰「這超出了我們?cè)?018年彎曲鑽石研究中得到的局部應(yīng)變最大值。」
為評(píng)估如此巨大的彈性應(yīng)變對(duì)鑽石電子性能的影響，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)中施加的拉伸應(yīng)變量進(jìn)行了理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)鑽石的電子帶隙通常隨著拉伸應(yīng)變的增加而減小，沿著一定的晶體取向，在約9％的應(yīng)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(jìn)鑽石的微電子應(yīng)用並提高器件性能。
團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步成功微加工出具有多個(gè)微橋的金剛石陣列樣品，並實(shí)現(xiàn)了均勻並可逆的陣列拉伸應(yīng)變，以演示應(yīng)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(shí)代。希望在不久的將來，拉伸鑽石能真正應(yīng)用於電子器件的生產(chǎn)。」
此研究的通訊作者包括陸博士及同樣來自機(jī)械工程學(xué)系的胡琪怡博士，麻省理工學(xué)院李巨教授，哈爾濱工業(yè)大學(xué)朱嘉琦教授；共同第一作者包括城大機(jī)械工程學(xué)系黨超群博士與前博士後研究員周至品博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)代兵博士，臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)周常棣；其他研究員包括城大機(jī)械工程學(xué)系的范蓉博士與林為彤。合作團(tuán)隊(duì)亦包括來自勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及中國(guó)南方科技大學(xué)等研究人員。
該項(xiàng)研究得到香港研究資助局及國(guó)家自然科學(xué)基金等資助。