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哈尔滨工业大学团队在金刚石单晶领域取得重大科研突破
2021-01-06 16:30
哈尔滨工业大学
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  1月1日,哈尔滨工业大学与香港城市大学、麻省理工学院等单位合作,首次通过纳米力学方法,展示了微晶金刚石阵列均匀的深弹性应变。该研究突出了深弹性应变工程在光子学、电子学和量子信息技术中的巨大应用潜力。研究成果以“微纳金刚石单晶的超大均匀拉伸弹性”(Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond)为题,发表在科学在线(Science online)上,其中韩杰才院士团队的朱嘉琦教授、青年教师代兵分别为共同通讯作者(陆洋、李巨、朱嘉琦、Alice Hu)和共同第一作者(党超群、Jyh-Pin Chou、代兵、Chang-Ti Chou),哈尔滨工业大学为共同通讯作者和共同第一作者单位。

  金刚石具有高硬度、超宽带隙、出色的载流子迁移率和优异的导热性能,是实现“后摩尔”时代电子、光电子和量子芯片的基础性材料之一,目前最大的技术障碍在于实现带隙的有效调控。由于金刚石结构紧凑,常规的N型掺杂目前进展缓慢。本研究发现,通过超大的弹性应变调控,可以从根本上改变金刚石的能带结构,从而为弹性应变工程及单晶金刚石器件的应用提供基础性和颠覆性解决方案。

  纳米级金刚石针被证明具有超大的弹性变形现象,局部拉伸弹性应变达到了9%以上,表明深弹性应变工程(ESE)在金刚石中产生非常高(> 5%)的拉伸和剪切弹性应变。但是上述的应变尝试往往局限于小样本体积内弯曲,导致应变分布不均匀,产生的高应变场会高度局部化。而在晶圆级、微米尺度样品中实现大均匀弹性应变,以充分利用深弹性应变工程进行金刚石器件的大规模集成加工将更加具有学术和工程意义。

  本研究在室温下沿[100],[101]和[111]方向对长度约1微米,宽度约100纳米的单晶金刚石桥结构进行了精细加工,并在单轴拉伸载荷下获得了样品范围内的均匀弹性应变,通过计算可实现单晶金刚石多达2eV的带隙降低。

  韩杰才院士、朱嘉琦教授团队长期从事大尺寸单晶金刚石、前沿器件及装备研制等研究,在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持下,在英寸级单晶金刚石、金刚石增强导热器件、日盲紫外探测、核素电池等方面取得阶段性成果,有效支撑哈尔滨工业大学基础研究和重大工程研发能力的提升。

研究成果发表

沿[101]方向的装卸拉伸实验

[100],[101]和[111]取向金刚石的统计拉伸结果

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