半導體再現新材料!科學家實現「鑽石」拉伸應變有望用於微電子、光電技術

作者 | 發布日期 2021 年 01 月 06 日 8:00 | 分類 光電科技 , 奈米 , 尖端科技 Telegram share ! follow us in feedly


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。

▲ 鑽石橋拉伸應變示意圖。

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。

(圖片來源:香港城市大學