近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與香港城市大學(xué)、麻省理工學(xué)院等單位合作，首次通過納米力學(xué)方法，展示了微晶金剛石陣列均勻的深彈性應(yīng)變。該研究突出了深彈性應(yīng)變工程在光子學(xué)、電子學(xué)和量子信息技術(shù)中的巨大應(yīng)用潛力。研究成果以“微納金剛石單晶的超大均勻拉伸彈性”(Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond)為題，發(fā)表在科學(xué)在線(Science online)上，其中韓杰才院士團隊的朱嘉琦教授、青年教師代兵分別為共同通訊作者(陸洋、李巨、朱嘉琦、Alice Hu)和共同第一作者(黨超群、Jyh-Pin Chou、代兵、Chang-Ti Chou)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)為共同通訊作者和共同第一作者單位。

金剛石具有高硬度、超寬帶隙、出色的載流子遷移率和優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，是實現(xiàn)“后摩爾”時代電子、光電子和量子芯片的基礎(chǔ)性材料之一，目前最大的技術(shù)障礙在于實現(xiàn)帶隙的有效調(diào)控。由于金剛石結(jié)構(gòu)緊湊，常規(guī)的N型摻雜目前進(jìn)展緩慢。本研究發(fā)現(xiàn)，通過超大的彈性應(yīng)變調(diào)控，可以從根本上改變金剛石的能帶結(jié)構(gòu)，從而為彈性應(yīng)變工程及單晶金剛石器件的應(yīng)用提供基礎(chǔ)性和顛覆性解決方案。

納米級金剛石針被證明具有超大的彈性變形現(xiàn)象，局部拉伸彈性應(yīng)變達(dá)到了9%以上，表明深彈性應(yīng)變工程(ESE)在金剛石中產(chǎn)生非常高(> 5%)的拉伸和剪切彈性應(yīng)變。但是上述的應(yīng)變嘗試往往局限于小樣本體積內(nèi)彎曲，導(dǎo)致應(yīng)變分布不均勻，產(chǎn)生的高應(yīng)變場會高度局部化。而在晶圓級、微米尺度樣品中實現(xiàn)大均勻彈性應(yīng)變，以充分利用深彈性應(yīng)變工程進(jìn)行金剛石器件的大規(guī)模集成加工將更加具有學(xué)術(shù)和工程意義。

本研究在室溫下沿[100]，[101]和[111]方向?qū)﹂L度約1微米，寬度約100納米的單晶金剛石橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精細(xì)加工，并在單軸拉伸載荷下獲得了樣品范圍內(nèi)的均勻彈性應(yīng)變，通過計算可實現(xiàn)單晶金剛石多達(dá)2eV的帶隙降低。

韓杰才院士、朱嘉琦教授團隊長期從事大尺寸單晶金剛石、前沿器件及裝備研制等研究，在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持下，在英寸級單晶金剛石、金剛石增強導(dǎo)熱器件、日盲紫外探測、核素電池等方面取得階段性成果，有效支撐哈爾濱工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究和重大工程研發(fā)能力的提升。

研究成果發(fā)表

沿[101]方向的裝卸拉伸實驗