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 金剛石以其硬度而聞名，其工業應用通常是切割，鉆孔或磨削。但它不僅是自然界中最堅硬的的材料，它還出人意料同時擁有超高的導熱性、介電擊穿強度、載流子遷移率以及超寬的帶隙。得益于這些優異的特性，金剛石被稱為電子材料的“珠穆拉瑪峰”，并且在光電應用的方向上被寄予厚望。但也是因為超大的能帶間隙和緊密的晶體結構，金剛石難以“摻雜”（調節半導體電子特性的常用方法），想要“登頂珠峰”——將金剛石在光電器件中工業化應用仍是困難重重。對于難以摻雜的材料，有一種潛在的解決方法是通過施加巨大的晶格應變，以改變電子能帶結構和相關性質。但是因為金剛石極高的硬度，這種方法一度被認為是無效的。

直到2018年，香港城市大學陸洋博士和他的合作者首次發現，納米級的金剛石可以發生超大的彈性應變，局部拉伸彈性應變達到9%甚至更高。這一驚人發現表明，通過彈性應變工程（ESE）改變金剛石的物理性質是可能的。

2020年1月1日，香港城市大學陸洋教授、Alice Hu團隊和哈爾濱工業大學朱嘉琦教授、麻省理工學院李巨教授合作，首次通過納米力學方法，展示了微晶金剛石陣列均勻的深彈性應變。超大的、高度可控的彈性應變可以從根本上改變金剛石的能帶結構，通過計算帶隙減少多達2eV。這項發現表明通過精細加工鉆石結構的深度彈性應變工程，使得可拉伸金剛石有望用于下一代微電子學、光子學和量子信息技術。該工作以“Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond”發表在《Science》上。

均勻的拉伸應變

Figure1. 沿[101]方向的裝卸拉伸實驗

該團隊首先從固體金剛石單晶中細微加工了單晶金剛石樣品。這些樣品呈橋狀，大約一微米長，300納米寬，兩端更寬，便于夾持。在連續可控加卸載的定量拉伸試驗循環下，金剛石橋在整個截面上表現出高度均勻的超大彈性變形（約7.5%的應變），而不是在彎曲的局部區域變形。卸載后，它們完全恢復了原來的形狀。通過使用美國材料試驗學會（ASTM）標準進一步優化樣品幾何形狀，最終獲得了高達9.7％的最大均勻拉伸應變，甚至超過了2018年研究中的最大局部值，并接近金剛石理論上的彈性極限。為了演示應變金剛石作為器件的可行性，作者還微加工了金剛石橋陣列，陣列在均勻的應變到5.8%后也能完全恢復為最初的形狀，通過有限元分析也確認了金剛石陣列中的均勻彈性應變分布。

通過彈性應變調整帶隙

Figure 2.[100]，[101]和[111]取向金剛石的統計拉伸結果

作者匯總了[100]，[101]和[111]取向金剛石樣品的所有抗拉強度的實驗數據，實驗證明樣品在3個不同方向上均能達到6.5 ~ 8.2%的樣品寬彈性應變，且恢復完全。隨著實驗接近10％的均勻彈性應變，作者進行了密度泛函計算（DFT），以評估從0到12%的彈性應變對于金剛石的電子特性的影響。模擬結果表明，金剛石的帶隙一般隨著拉伸應變的增加而減小，在9%左右的應變下，沿特定晶體取向的禁帶寬度最多可以從5 eV左右減小到3 eV左右。作者還對樣品進行了電子能量損失光譜分析，進一步證實了這種帶隙減小的趨勢。

大而均勻的彈性應變應該驅動帶隙的變化，與其他兩個方向相比，沿[101]方向的應變會引起更大的帶隙減小。經過更深入的計算，沿[111]方向的拉伸應變大于9％時，間接帶隙會轉變為直接帶隙，這意味著電子躍遷時不需要釋放或吸收聲子，使用這種材料的光電器件會有更高的效率。

總結

這些發現是實現微加工金剛石深度彈性應變工程的早期步驟。通過納米力學方法，作者證明了金剛石的能帶結構可以改變，更重要的是，這些改變可以是連續和可逆的。微米尺寸的單晶金剛石橋結構非常適合機電系統(MEMS/NEMS)、應變工程晶體管，以及新穎的光電和量子器件陣列的規模。陸洋教授說:“我相信鉆石的新時代就在我們面前。”