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科学家实现金刚石阵列深度弹性应变,或开启微电子量子应用新时代

发布时间:2020-12-31 12:59:59人气:

  “这意味着,将开启全新的钻石应用时代。”

  谈及 2021 元旦当天发在 Science 的论文,现为香港都市大学机器工程学系副传授的陆洋作出如上归纳综合。

  他汇报 DeepTech:“将来,钻石将不可是传统印象中昂贵宝石,人造金刚石也不再是一种机器加工质料,金刚石还将会是一种极具潜力的电子质料、光电质料。”

  “钻石长长远,一颗永传播”,一直以来钻石商戴比尔斯这句著名的告白词,把原本普通的金刚石(钻石)带进了公共的视线,并与恋爱细密绑缚,成为人们争先抢购的奢侈宝石。

  这句告白词的巧妙之处就在于,人们对付恋爱刚强不移的憧憬刚好与金刚石的物理特征不约而同:作为碳元素的晶体,钻石坚固无比,依照摩氏硬度尺度 (Mohs hardness scale) ,钻石的硬度为第一流 10 级,而小刀的硬度仅为 5.5 级。所以,金刚石堪称是自然界中最硬的物质。

  可是,这种对钻石的 “刻板印象” 却在克日被彻底打翻。

  陆洋团队连系哈尔滨家产大学、及麻省理工学院(MIT)等相助者经研究发明,钻石这种 “最硬的” 质料不只可以弯曲,甚至还可产生弹性变形,其以这一发明为打破口,首次回收纳米力学要领,在室温下沿 [100]、[101] 和 [111] 等差异晶体学偏向对长度约 1 微米,宽度约 100-300 纳米的单晶金刚石桥布局举办微加工,并在单轴拉伸载荷下实现了样品的匀称弹性应变。

科学家实现金刚石阵列深度弹性应变,或开启微电子量子应用新时代

  图 | 金刚石阵列样品在原位拉伸下产生匀称弹性应变(来历:香港都市大学)

  另外,他们还通过相对较大的样本展示了金刚石微桥阵列如何实现同步的深弹性应变。而超大的、高度可控的弹性应变,则能从基础上改变金刚石的能带布局,最终计较出带隙在某特定取向上最多可减小约 2 eV(电子伏特),上述发明将对金刚石的电子应用发生重大影响。

科学家实现金刚石阵列深度弹性应变,或开启微电子量子应用新时代

图 | 应变金刚石器件的动态观念图(来历:香港都市大学)

  该研究论文的标题为《在微加工金刚石中实现超大匀称拉伸弹性》(Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond)。

  金刚石最大匀称拉伸应变到达 9.7%

  一直以来,金刚石因其独具的超高的导热率、介电击穿强度、载流子迁移率和超宽带隙,而被视为是电子和光子质料中的 “珠穆朗玛峰”。但其较大的带隙、及其细密晶体布局引起的掺杂挑战,却阻碍了金刚石成为电子和光电设备最佳备选质料的应用。个中的一个潜在办理方案,是通过施加弹性晶格应变来到达调控电子机能和质料特性的改变。

  此前,在 2018 年陆洋与相助者首次在 Science 发文,报道通过弯曲纳米级金刚石针可以或许到达超大的弹性变形。在数十纳米巨细的区域中,局部拉伸弹性应变到达 9%。这一发明表白,深层弹性应变工程(ESE)可以在金刚石实现,从而改变其物理机能。在这一发明的基本之上,他们想要更进一步,即在足够大的范畴内实现准确且匀称的应叛变制,以充实操作深度 ESE 举办大局限的家产集成。

  他们展示了微细单晶金刚石桥在拉伸载荷下产生的可逆的、匀称的、极大的弹性变形。为了出产长度约 1 毫米、宽度 100-300 纳米、具有明晰几许形状和晶体取向的拉伸样品,他们利用了先进的微细加工工艺,即通过微波等离子体帮助化学气相沉积法发展的块状单晶金刚石。然后利用廉价的金刚石拉伸夹具,从大块单晶上单轴拉伸聚焦离子束(FIB)镌刻的金刚石,通过在室温下沿 [100],[101] 和 [111] 偏向对微米级金刚石桥的原位机器拉伸尝试举办测试,来研究这种可逆且匀称的弹性变形的要害特征。之后,利用密度泛函理论(DFT)计较来预计相应载荷下电子带布局的演化。

  他们利用透射电子显微镜(TEM)来表征微加工的单晶 [100] 取向金刚石。低放大倍数后,TEM 图像中显示出了几个金刚石拉伸样品和相应的微型金刚石夹具。随后用 FIB 镌刻了来自大块钻石主体的样品,从而让 T 形样品在拉伸试验期间能被夹在肩上。

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