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彈性拉伸金剛石 為新一代微電子科技開拓新方向

City University of Hong Kong

Research News

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Credit: Dang Chaoqun / City University of Hong Kong

鑽石(又名金剛石)是大自然裡最硬的物料,而出乎許多人的意料,它其實有巨大潛力成為極佳的電子材料。由香港城市大學(香港城大)領導的最新研究便首次成功展示了以納米力學的方式,對微加工的金剛石陣列施加極大而均勻的彈性拉伸應變,以應用於微電子、光電和量子資訊器件。

這次研究由香港城大機械工程學系副教授陸洋博士聯同來自美國麻省理工學院和哈爾濱工業大學(哈工大)的研究人員聯合領導。研究成果已於權威學術期刊《科學》(Science)上發表,題為〈Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond〉。

陸博士說︰「這是首次透過拉伸實驗,展示了金剛石極大和均勻的彈性。更重要是,我們的研究結果顯示了可以透過對微加工的金剛石進行『深層彈性應變工程』(deep elastic strain engineering),來研製電子器件的可能性。」

金剛石︰電子材料的「珠穆朗瑪峰」

憑著其超高硬度,金剛石於工業上最常被應用於切割、鑽鑿和研磨等機械領域,但其實它同時具有極高的熱導率(傳熱能力)、載流子遷移率(即電流裡帶正極和負極的物質可在材料裡自由移動的程度)、高電擊穿強度和極闊的電子能帶隙 (bandgap),因而被視為極具潛力的電子和光子材料。帶隙是半導體裡的一個重要特性,具寬帶隙的材料可製備高功率或高頻的器件。陸博士說︰「金剛石具備這些極佳特性,可被視為電子材料裡的『珠穆朗瑪峰』。」

不過,金剛石的寬帶隙,加上它緊固的晶體結構,使它難以摻雜入雜質——製造半導體過程中,一種常用來控制半導體特性的方法,因而限制了它在電子和光電器件領域的工業應用。其中一個潛在可以代替摻雜的方法便是利用「應變工程」,即透過對材料施加較大的晶格應變(lattice strain),從而改變材料的能帶結構及其相關光電特性。不過,由於塊體金剛石的極高硬度和脆性,這一策略長期被視為不可行。

直至2018年,陸博士與合作團隊便發現了納米尺度下的金剛石具有意想不到的高彈性,可局部地作大幅度的彈性屈曲。這一發現揭示了透過彈性應變工程,去改變金剛石的物理特性的可能性。基於此,這次最新研究便展示了如何利用這一現象去應用於微電子器件上。

實現均勻的拉伸彈性應變

團隊首先對高質量單晶金剛石進行微加工,製備了微型單晶金剛石橋樣品。樣品呈「工」字形,兩端較闊大,以便夾持著進行拉伸測試,在中間的主體部分則幼長,約1微米長、100納米寬,像橋樑般連接兩端。團隊然後在電子顯微鏡下,多次連續和可控地對金剛石微橋樣品進行單一方向、加載與卸載的拉伸應變測試,樣品的主體測量部位,呈現了極均勻的拉伸應變,高達7.5%,且在卸載後回復原來形狀。

團隊進一步參考美國材料和試驗協會(American Society for Testing and Materials, ASTM)標準,優化樣品的幾何形狀,成功實現了最高均勻拉伸應變達9.7%,較2018年彎曲金剛石的研究裡,局部拉伸應變的最高值還要高,接近金剛石彈性極限。

更重要的是,為展示應變金剛石器件的概念可行性,團隊通過精密微加工技術亦製備了單晶金剛石微橋陣列樣品,並成功實現了其均勻和可恢復的大幅度拉伸應變。

利用彈性應變改變能隙

團隊然後進行密度泛函理論模擬運算,評估金剛石的應變由0增到12%的過程裡,對其能帶結構和電子特性有何影響。模擬運算結果顯示,通常而言,當拉伸應變增加時,金剛石帶隙會隨之減少;當應變沿著某一特定晶體方向(晶向)達至9%時,帶隙由原本的大約5電子伏特降至3電子伏特,減幅最大。團隊進而用電子能量損失譜(EELS)分析預應變的單晶金剛石樣品,亦印證了拉伸應變愈大、帶隙愈小的這一趨勢。

他們的模擬運算亦顯示,當順著另一特定晶向的應變超過9%,帶隙會由「間接帶隙」(indirect bandgap)變為「直接帶隙」。只會在半導體裡出現的直接帶隙,是指電子可直接躍遷並釋放光子,不涉及動量的改變,因而可達致許多高效能的光電應用。

是次研究結果展現了通過微加工金剛石,實現深層彈性應變工程的第一步。透過納米力學方式,團隊揭示了彈性應變可有效改變能帶結構,而更重要的是,這些改變都是連續且可以復原的,因而可以作不同創新應用,由微納機電系統(MEMS/NEMS)、應變工程晶體管,以至新型光電及量子信息技術。陸博士說︰「我相信,一個金剛石的新世代即將來臨。」

陸教授與同樣來自香港城大機械工程學系的胡琪怡博士、以及麻省理工的李巨教授和哈工大的朱嘉琦教授,均是論文的通訊作者。論文共同第一作者是香港城大機械工程學系博士畢業生黨超群和前博士後研究員周至品博士、哈工大的代兵博士及國立交通大學的周常棣。來自香港城大的團隊成員還有范蓉博士和林為彤。合作團隊亦包括來自勞倫斯伯克利國家實驗室、加州大學柏克萊分校以及南方科技大學的研究人員。

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這項研究獲得香港研究資助局和國家自然科學基金會的資助進行。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2021/01/01/stretching-diamond-next-generation-microelectronics

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