Diamant är det hårdaste materialet i naturen. Men av många förväntningar, det har också stor potential som ett utmärkt elektroniskt material. En gemensam forskargrupp ledd av City University of Hong Kong (CityU) har för första gången visat den stora, likformig dragelastisk töjning av mikrotillverkade diamantuppsättningar genom det nanomekaniska tillvägagångssättet. Deras resultat har visat potentialen hos spända diamanter som främsta kandidater för avancerade funktionella enheter inom mikroelektronik, fotonik, och kvantinformationsteknik.

Forskningen leddes tillsammans av Dr. Lu Yang, Docent vid institutionen för maskinteknik (MNE) vid CityU och forskare från Massachusetts Institute of Technology (MIT) och Harbin Institute of Technology (HIT). Deras resultat har nyligen publicerats i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Vetenskap , med titeln "Att uppnå stor enhetlig dragelasticitet i mikrotillverkad diamant".

"Det här är första gången vi visar den extremt stora, enhetlig elasticitet hos diamant genom dragexperiment. Våra fynd visar möjligheten att utveckla elektroniska enheter genom "deep elastic strain engineering" av mikrotillverkade diamantstrukturer, " sa Dr Lu.

Diamant:"Mount Everest" av elektroniskt material

Känd för sin hårdhet, industriella tillämpningar av diamanter är vanligtvis skärning, borrning, eller slipning. Men diamant anses också vara ett högpresterande elektroniskt och fotoniskt material på grund av dess ultrahöga värmeledningsförmåga, exceptionell rörlighet för elektriska laddningsbärare, hög nedbrytningsstyrka och ultrabredt bandgap. Bandgap är en nyckelegenskap inom halvledare, och brett bandgap tillåter drift av högeffekts- eller högfrekventa enheter. "Det är därför diamant kan betraktas som "Mount Everest" av elektroniskt material, besitter alla dessa utmärkta egenskaper, " sa Dr Lu.

Dock, diamantens stora bandgap och täta kristallstruktur gör det svårt att "dopa", ett vanligt sätt att modulera halvledarnas elektroniska egenskaper under produktion, hämmar därmed diamantens industriella tillämpning i elektroniska och optoelektroniska enheter. Ett potentiellt alternativ är genom "strain engineering", det vill säga att applicera mycket stor gitterpåkänning, för att ändra den elektroniska bandstrukturen och tillhörande funktionella egenskaper. Men det ansågs som "omöjligt" för diamant på grund av dess extremt höga hårdhet.

Sedan 2018, Dr Lu och hans medarbetare upptäckte att, förvånande, diamant i nanoskala kan böjas elastiskt med oväntat stor lokal belastning. Denna upptäckt tyder på att förändring av fysiska egenskaper hos diamant genom elastisk töjningsteknik kan vara möjlig. Baserat på det här, den senaste studien visade hur detta fenomen kan användas för att utveckla funktionella diamantenheter.

Enhetlig dragspänning över provet

Teamet mikrofabricerade först enkristallina diamantprover från en solid diamantenkristall. Proverna var i broliknande form - cirka en mikrometer långa och 300 nanometer breda, med båda ändarna bredare för grepp (Se bild:Dragspänning av diamantbroar). Diamantbryggorna sträcktes sedan enaxligt på ett välkontrollerat sätt i ett elektronmikroskop. Under cykler av kontinuerlig och kontrollerbar lastning-avlastning av kvantitativa dragprov, diamantbroarna visade en mycket enhetlig, stor elastisk deformation på cirka 7,5 % töjning över hela provets tjocklek, snarare än att deformeras på ett lokalt område vid böjning. Och de återställde sin ursprungliga form efter lossning.

Genom att ytterligare optimera provgeometrin med standarden American Society for Testing and Materials (ASTM), de uppnådde en maximal enhetlig dragtöjning på upp till 9,7 %, som till och med överträffade det maximala lokala värdet i 2018 års studie, och var nära den teoretiska elastiska gränsen för diamant. Mer viktigt, för att demonstrera konceptet med ansträngda diamantanordningar, teamet insåg också elastisk töjning av mikrotillverkade diamantarrayer.

Justera bandgapet med elastiska spänningar

Teamet utförde sedan beräkningar av densitetsfunktionsteori (DFT) för att uppskatta effekten av elastisk töjning från 0 till 12 % på diamantens elektroniska egenskaper. Simuleringsresultaten indikerade att diamantens bandgap i allmänhet minskade när dragpåkänningen ökade, med den största bandgap-reduktionshastigheten ner från cirka 5 eV till 3 eV vid cirka 9 % töjning längs en specifik kristallin orientering. Teamet utförde en elektronenergiförlustspektroskopianalys på ett förspänt diamantprov och verifierade denna bandgap minskande trend.

Deras beräkningsresultat visade också att intressant, bandgapet kan ändras från indirekt till direkt med dragpåkänningarna större än 9 % längs en annan kristallin orientering. Direkt bandgap i halvledare betyder att en elektron direkt kan sända ut en foton, möjliggör många optoelektroniska tillämpningar med högre effektivitet.

Dessa fynd är ett tidigt steg för att uppnå djup elastisk töjningsteknik av mikrotillverkade diamanter. Genom nanomekaniskt tillvägagångssätt, teamet visade att diamantens bandstruktur kan ändras, och ännu viktigare, dessa förändringar kan vara kontinuerliga och reversibla, tillåter olika applikationer, från mikro/nanoelektromekaniska system (MEMS/NEMS), töjningskonstruerade transistorer, till nya optoelektroniska och kvantteknologier. "Jag tror att en ny era för diamant ligger framför oss, " sa Dr Lu.