Автор AZoNano 4 января 2021 г.

Алмаз – самый твердый материал в природе. Но вопреки многим ожиданиям он также имеет большой потенциал как отличный электронный материал. Совместная исследовательская группа, возглавляемая Городским университетом Гонконга (CityU), впервые продемонстрировала большую однородную упругую деформацию при растяжении микроизготовленных алмазных массивов с помощью наномеханического подхода.

Их открытия показали потенциал деформированных алмазов в качестве главных кандидатов для усовершенствованных функциональных устройств в микроэлектронике, фотонике и квантовых информационных технологиях.

Исследованием руководили доктор Лу Ян, доцент кафедры машиностроения (MNE) CityU, и исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Харбинского технологического института (HIT).

Их результаты были недавно опубликованы в престижном научном журнале Science под названием « Достижение большой однородной эластичности при растяжении в микроизготовленном алмазе ».

«Впервые демонстрирует чрезвычайно большую однородную эластичность алмаза с помощью экспериментов на растяжение. Наши результаты демонстрируют возможность разработки электронных устройств с помощью« инженерии глубокой упругой деформации »микроизготовленных алмазных структур», – сказал доктор Лу.

Алмаз: «Гора Эверест» из электронных материалов

Алмазы, хорошо известные своей твердостью, обычно используются для резки, сверления или шлифования. Но алмаз также считается высокоэффективным электронным и фотонным материалом из-за его сверхвысокой теплопроводности, исключительной подвижности носителей электрического заряда, высокой прочности на пробой и сверхширокой запрещенной зоны.

Ширина запрещенной зоны является ключевым свойством полупроводников, а широкая запрещенная зона позволяет работать мощным или высокочастотным устройствам. «Вот почему алмаз можно рассматривать как« Эверест »электронных материалов, обладающих всеми этими превосходными свойствами, », – сказал д-р Лу.

Однако большая ширина запрещенной зоны и плотная кристаллическая структура алмаза затрудняют "легирование", распространенный способ модуляции электронных свойств полупроводников во время производства, тем самым препятствуя промышленному применению алмаза в электронных и оптоэлектронных устройствах.

Возможной альтернативой является «инженерия деформации», то есть применение очень большой деформации решетки для изменения структуры электронной зоны и связанных с ней функциональных свойств. Но это считалось «невозможным» для алмаза из-за его чрезвычайно высокой твердости.

Затем, в 2018 году, доктор Лу и его сотрудники обнаружили, что, к удивлению, наноразмерный алмаз может быть упруго изогнут с неожиданно большой локальной деформацией.

Это открытие предполагает, что изменение физических свойств алмаза с помощью инженерии упругой деформации возможно. Основываясь на этом, последнее исследование показало, как это явление можно использовать для разработки функциональных алмазных устройств.

Равномерная деформация при растяжении по образцу

Команда впервые создала образцы монокристаллического алмаза на микроуровне из монокристаллов твердого алмаза. Образцы имели форму перемычки – около одного микрометра в длину и 300 нанометров в ширину, причем оба конца были шире для захвата (см. Изображение: деформация при растяжении алмазных перемычек).

Затем алмазные мостики одноосно растягивали контролируемым образом в электронном микроскопе.

В ходе циклов непрерывного и контролируемого нагружения-разгрузки количественных испытаний на растяжение алмазные мосты продемонстрировали очень однородную большую упругую деформацию с деформацией около 7,5% по всей калибровочной части образца, а не деформацию в определенной области в изгиб. И они восстановили свою первоначальную форму после разгрузки.

Путем дальнейшей оптимизации геометрии образца с использованием стандарта Американского общества испытаний и материалов (ASTM) они достигли максимальной равномерной деформации растяжения до 9,7%, что даже превзошло максимальное локальное значение в исследовании 2018 года и было близко до теоретического предела упругости алмаза.

Что еще более важно, чтобы продемонстрировать концепцию деформированного алмазного устройства, команда также реализовала упругое деформирование микроизготовленных алмазных массивов.

Регулировка ширины запрещенной зоны за счет упругих деформаций

Затем группа выполнила расчеты по теории функционала плотности (DFT), чтобы оценить влияние упругой деформации от 0 до 12% на электронные свойства алмаза.

Результаты моделирования показали, что ширина запрещенной зоны алмаза обычно уменьшается по мере увеличения деформации растяжения, при этом максимальная скорость уменьшения ширины запрещенной зоны снижается с примерно 5 эВ до 3 эВ при деформации примерно 9% вдоль определенной кристаллической ориентации.

Команда выполнила анализ спектроскопии потерь энергии электронов на предварительно напряженном образце алмаза и подтвердила эту тенденцию к уменьшению ширины запрещенной зоны.

Результаты их расчетов также показали, что, что интересно, ширина запрещенной зоны может изменяться с косвенной на прямую с деформациями растяжения, превышающими 9%, вдоль другой кристаллической ориентации.

Прямая запрещенная зона в полупроводнике означает, что электрон может напрямую излучать фотон, что позволяет использовать многие оптоэлектронные приложения с более высокой эффективностью.

Эти открытия являются ранним шагом в достижении инженерии глубокой упругой деформации алмазов, изготовленных на микрообработке.

Используя наномеханический подход, команда продемонстрировала, что структура полосы алмаза может быть изменена, и, что более важно, эти изменения могут быть непрерывными и обратимыми, что позволяет использовать различные приложения, от микро / наноэлектромеханических систем (MEMS / NEMS) до напряженно-инженерных транзисторов , новым оптоэлектронным и квантовым технологиям. «Я считаю, что впереди новая эра алмазов, », – сказал д-р Лу.

Д-р Лу, д-р Алиса Ху, которая также из MNE в CityU, профессор Ли Цзюй из MIT и профессор Zhu Jiaqi из HIT являются соответствующими авторами статьи. Соавторами стали Данг Чаокун, аспирант, и доктор Чжоу Джи-Пин, бывший научный сотрудник MNE в CityU, доктор Дай Бинг из HIT и Чжоу Чан-Ти из Национального университета Цзяо Дун. Доктор Фан Ронг и Линь Вэйтонг из CityU также являются частью команды. Другие сотрудничающие исследователи – из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Калифорнийского университета в Беркли и Южного университета науки и технологий

Исследования в CityU финансировались Советом по исследовательским грантам Гонконга и Национальным фондом естественных наук Китая.

Источник: https://www.cityu.edu.hk/