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科學家實現「鑽石」拉伸應變有望用於微電子﹑光電技術
鑽石有望成為未來微電子(Microelectronics)﹑光子學(Photonics)與量子資訊技術應用的關鍵材料。由香港城市大學領導的聯合研究團隊近日宣布﹐已成功實現鑽石的均勻彈性拉伸應變﹐且達到前所未有的水準﹔而這項研究可令鑽石在微電子﹑光子學與量子資訊技術的應用進入嶄新時代。
香港城市大學機械工程學系副教授陸洋帶領的團隊與麻省理工﹑哈爾濱工業大學等學者合作展開這項研究﹐而研究結果顯示﹐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。而研究團隊也已將此成果發表在「科學(Science)」期刊上﹐題目為「實現微加工鑽石的超大均勻拉伸彈性(Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond)」。
香港城市大學研究指出﹐鑽石具有超高熱導率與出色載流子(carrier)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。不過﹐鑽石的超寛帶隙(bandgap)及緊固的晶體結構會引起摻雜(dope)問題﹐也是影響鑽石應用到電子與光電元件的一個障礙。
為此﹐研究團隊改以所謂的應變工程(Strain Engineering)來克服此一挑戰。應變工程通常是半導體製程中﹐透過調節晶體管溝道中的應變來實現性能優勢﹐這提高了電子遷移率﹐從而提高了通過溝道的導電性﹔而研究團隊則是以機械方式來控制與改變鑽石的電子特性。
事實上﹐研究團隊早於2018年便首次發現鑽石在奈米等級下也能承受極大的彎曲變形﹐且還能完全恢復原狀﹔但是奈米等級的鑽石樣品難以控制﹐所產生的應變分布也極不均勻且局限在較小的區域﹐因此並不適合應用於元件上。因此﹐在之後的研究裡﹐團隊採用微製造單晶矽(Microfabricated single-crystalline)技術﹐先從高品質的鑽石上製造成橋狀的鑽石樣品。接著﹐再透過實驗室中的奈米力學拉伸平台﹐讓長度及厚度分別約為1微米及100奈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。
同時﹐研究團隊也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。之後﹐研究團隊根據實驗中施加的拉伸應變量進行運算﹐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(eV)降至3電子伏特﹐而這將大大促進鑽石的微電子應用並提高元件性能﹐並讓更多光電應用具有更高效率。
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