Алмаз-самый твердый материал в природе. Но, вопреки многим ожиданиям, он также обладает большим потенциалом в качестве превосходного электронного материала. Совместная исследовательская группа, возглавляемая городским университетом Гонконга (CityU), впервые продемонстрировала большое, равномерное растяжимое упругое растяжение микроизготовленных алмазных массивов с помощью наномеханического подхода. Их результаты показали потенциал напряженных алмазов в качестве основных кандидатов на передовые функциональные устройства в микроэлектронике, фотонике и квантовых информационных технологиях.

Исследование проводилось совместно доктором Лу Янгом, доцентом кафедры машиностроения (MNE) в CityU, и исследователями из Массачусетского технологического института (MIT) и Харбинского технологического института (HIT). Их результаты были недавно опубликованы в престижном научном журнале Science под названием "Достижение большой равномерной эластичности при растяжении в микрообработанном алмазе".

"Это первый случай, когда эксперименты на растяжение показали чрезвычайно большую однородную упругость алмаза. Наши результаты демонстрируют возможность разработки электронных устройств с помощью "глубокой инженерии упругих деформаций "микрообработанных алмазных структур", - сказал доктор Лу.

Алмаз: "Гора Эверест" из электронных материалов

Хорошо известные своей твердостью, промышленные применения алмазов обычно заключаются в резке, сверлении или шлифовании. Но алмаз также считается высокоэффективным электронным и фотонным материалом благодаря своей сверхвысокой теплопроводности, исключительной подвижности носителей электрического заряда, высокой прочности на пробой и сверхширокой запрещенной зоне. Полоса пропускания является ключевым свойством полупроводника, а широкая полоса пропускания позволяет работать с мощными или высокочастотными устройствами. "Вот почему алмаз можно считать" горой Эвереста "из электронных материалов, обладающих всеми этими превосходными свойствами", - сказал доктор Лу.

Однако большая запрещенная зона и плотная кристаллическая структура алмаза затрудняют "легирование" -распространенный способ модуляции электронных свойств полупроводников в процессе производства, что затрудняет промышленное применение алмаза в электронных и оптоэлектронных устройствах. Потенциальной альтернативой является "тензоинженерия", то есть применение очень большой деформации решетки для изменения электронной структуры полосы 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 коллеги обнаружили, что, как ни удивительно, наноразмерный алмаз может упруго изгибаться с неожиданной большой локальной деформацией. Это открытие предполагает, что изменение физических свойств алмаза с помощью упругой деформации может быть возможным. Исходя из этого, последнее исследование показало, как это явление может быть использовано для разработки функциональных алмазных устройств.

Равномерное растягивающее напряжение по всему образцу

Команда сначала микрообработала образцы монокристаллического алмаза из твердых монокристаллов алмаза. Образцы имели мостовидную форму-около одного микрометра в длину и 300 нанометров в ширину, причем оба конца были шире для захвата (см. Затем алмазные мостики были соосно растянуты в хорошо контролируемом режиме в электронном микроскопе. При циклах непрерывного и контролируемого нагружения-разгрузки количественных испытаний на растяжение алмазные мостики демонстрировали очень равномерную, большую упругую деформацию около 7,5% деформации по всему калибровочному сечению образца, а не деформацию в локализованной области при изгибе. И после разгрузки они вновь обрели свою первоначальную форму.

Дальнейшая оптимизация геометрии образца с использованием стандарта Американского общества испытаний и материалов (ASTM) позволила достичь максимальной равномерной деформации растяжения до 9,7%, что даже превысило максимальное локальное значение в исследовании 2018 года и было близко к теоретическому пределу упругости алмаза. Что еще более важно, чтобы продемонстрировать концепцию напряженного алмазного устройства, команда также реализовала упругое деформирование микрообработанных алмазных массивов.

Настройка запрещенной зоны упругими деформациями

Затем команда выполнила расчеты по теории функционала плотности (DFT), чтобы оценить влияние упругого напряжения от 0 до 12% на электронные свойства алмаза. Результаты моделирования показали, что запрещенная зона алмаза обычно уменьшается по мере увеличения растягивающей деформации, причем наибольшая скорость уменьшения запрещенной зоны снижается примерно с 5 эВ до 3 эВ при деформации около 9% вдоль определенной кристаллической ориентации. Команда провела спектроскопический анализ электронных потерь энергии на предварительно напряженном образце алмаза и подтвердила эту тенденцию к уменьшению запрещенной зоны.

Результаты их расчетов также показали, что, что интересно, запрещенная зона может изменяться от косвенной к прямой при растягивающих деформациях более 9% вдоль другой кристаллической ориентации. Прямая запрещенная зона в полупроводнике означает, что электрон может непосредственно испускать фотон, что позволяет использовать многие оптоэлектронные приложения с более высокой эффективностью.

Эти результаты являются ранним шагом в достижении глубокой инженерии упругих деформаций микрообработанных алмазов. С помощью наномеханического подхода команда продемонстрировала, что зонная структура алмаза может быть изменена, и что более важно, эти изменения могут быть непрерывными и обратимыми, что позволяет применять различные приложения-от микро/наноэлектромеханических систем (МЭМС/НЭМС), тензоинженерных транзисторов до новых оптоэлектронных и квантовых технологий. -Я верю, что впереди нас ждет новая эра алмазов, - сказал доктор Лу.

ИСТОЧНИК