納米力學新方法：通過彈性應變調控讓金剛石變身芯片時更“聽話”

如何讓金剛石“聽話”地像硅一樣實現芯片的基本功能?哈爾濱工業大學與香港城市大學、麻省理工學院等單位合作，在金剛石單晶領域取得重大科研突破，首次通過納米力學新方法，通過超大均勻的彈性應變調控，從根本上改變金剛石的能帶結構，為實現下一代金剛石基微電子芯片提供了一種全新的方法。1月1日，相關論文在線發表在國際著名學術期刊《科學》(Science)上。該研究為彈性應變工程及單晶金剛石器件的應用提供基礎性和顛覆性解決方案，展現了“應變金剛石“在光子學、電子學和量子信息技術中的巨大應用潛力。

研究成果以“微納金剛石單晶的超大均勻拉伸彈性”(Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond)為題，其中哈爾濱工業大學韓杰才院士團隊的朱嘉琦教授、青年教師代兵分別為共同通訊作者(陸洋、李巨、朱嘉琦、Alice Hu)和共同第一作者(黨超群、Jyh-Pin Chou、代兵、Chang-Ti Chou)，哈爾濱工業大學為共同通訊作者和共同第一作者單位。

據論文作者之一、哈工大航天學院朱嘉琦教授介紹，金剛石具有高硬度、超寬帶隙、出色的載流子遷移率和優異的導熱性能，是實現“后摩爾”時代電子、光電子和量子芯片的基礎性材料之一，目前最大的技術障礙在于實現帶隙的有效調控。由于金剛石結構緊湊，常規的N型摻雜目前進展緩慢。2018年陸洋團隊首次報道納米級金剛石針可具有超大的彈性變形，局部彎曲彈性應變達到9%以上，提供了調節金剛石能帶的另一種可能。但上述應變嘗試往往局限于小樣本體積內，而彎曲導致應變分布不均勻。因此，在晶圓級、微米尺度樣品中實現大而均勻彈性應變，以充分利用深彈性應變工程進行金剛石器件級的大規模集成加工將更加具有應用價值和工程意義。

本次研究在室溫下沿[100]，[101]和[111]方向對長度約1微米，寬度約100-300納米的高質量單晶金剛石橋結構進行了精細微加工，并在單軸拉伸載荷下實現了樣品整體范圍內的均勻超大彈性應變。同時，為了展示應變金剛石器件的概念，團隊還加工并實現了微橋金剛石陣列的彈性應變。并進一步通過計算可實現單晶金剛石多達2eV的帶隙降低，極其有利于微電子應用。

香港城市大學陸洋團隊長期從事對包括硅和金剛石在內的“共價晶體“的微納米力學研究，并探索彈性應變工程及其對半導體工業應用的促進和發展。

哈爾濱工業大學韓杰才院士、朱嘉琦教授團隊長期從事大尺寸單晶金剛石、器件及裝備技術研究，在英寸級單晶金剛石、金剛石增強導熱器件、日盲紫外探測、核素電池等方面取得階段性進展。