2021年第一期《Science》：将金刚石拉伸到极大均匀弹性变形！

金刚石不仅是自然界中最坚硬的材料，也是一种具有超宽带隙、特殊载流子移动性和热导率的极端电子材料。通常，金刚石被认为是不可弯曲的，但薄的样品实际上可以有弹性变形。

近日，来自香港城市大学Alice Hu和陆洋、哈尔滨工业大学朱嘉琦、麻省理工李巨等研究者，以~100纳米宽度制备了长度~1微米的单晶金刚石桥结构，并在室温下沿[100]、[101]和[111]方向单轴拉伸载荷下获得了样品宽的均匀弹性应变。相关论文以题为“Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond”于2021年元月1日发表在国际顶级期刊Science上。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/371/6524/76

金刚石，因其超高的导热性、介电击穿强度、载流子迁移率和超宽的带隙，而成为电子和光子材料的珠穆朗玛峰。实现金刚石基电子和光电器件的一个严重障碍是，其大禁带及其晶体结构所带来的掺杂挑战。一个可能的解决方案是应用弹性晶格应变，它可以从根本上改变材料的性质。最近，通过弯曲纳米金刚石针，证明了超大弹性变形。局部拉伸弹性应变，在几十纳米范围内达到9%以上，强度接近金刚石的理论极限。这一发现表明，深度弹性应变工程(ESE)，可能会从根本上改变金刚石的物理性能，即在金刚石中诱导非常高的(>5%)拉伸和/或剪切弹性应变。

然而，人们需要在足够大的容量中精确控制，以充分利用深度ESE在工业上非常大规模的集成。以往对金刚石的应变尝试，往往受到弯曲使应变在小样本体积内的限制，导致应变分布不均匀。这些样品很难控制，产生的高应变场高度局域化。大的均匀弹性应变，通常是器件阵列的深层ESE的理想初始状态。这一场景很难在微米尺度的样品中实验实现，例如在一个干净的晶圆中，因为众所周知的“越小越强”的趋势，这表明增大尺寸会削弱样品。

在此，研究者展示了在拉伸载荷下微晶单晶金刚石桥的极大的、可逆的、均匀的弹性变形。为了获得长度为~1μm、宽度为300 nm、具有明确几何形状和晶体取向的拉伸样品，研究者采用了先进的微波等离子体辅助化学气相沉积法，获得块状单晶金刚石微加工工艺。研究者开发的工艺可以生产微米尺寸的高质量金刚石结构，这是微型机电系统(MEMS)、量子和光子器件、应变工程晶体管阵列和其他应用的主要候选材料。此外，研究者还演示了金刚石微桥阵列的深弹性应变。研究表明，超大的、高度可控的弹性应变可以从根本上改变金刚石的体带结构，包括带隙本征值计算降低了多达2eV。

图1 微晶单晶金刚石桥试件。

图2 沿[101]方向加载-卸载拉伸试验。

图3 [100]-，[101]-和[111]取向钻石的统计拉伸结果。

微米尺寸的单晶金刚石桥结构非常适合MEMS、光子器件、量子信息处理器和微电子或纳米电子器件阵列的规模。大而均匀的弹性应变应该驱动带隙的变化，研究者通过DFT模拟和EELS测量，证明了这一点。与此同时，该研究突出了深度弹性应变工程在光子学、电子学和量子信息技术方面的巨大应用潜力。（文：水生）