實現「鑽石」拉伸應變工程 突破半導體材料關鍵特性

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〔記者林明佑/彰化市報導〕國立彰化師範大學物理系助理教授周至品參與的國際研究團隊,突破性的研究成果於今年 (2021)一月發表於國際頂尖雜誌《科學 (Science)》,周至品同時列為該論文的共同第一作者,其標題為『實現微加工鑽石的超大均勻拉伸彈性』(Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond [1]) 。

實現「鑽石」拉伸應變工程 突破半導體材料關鍵特性(圖/彰師大提供,以下皆同)

國際研究團隊包括香港城市大學機械工程學系(MNE)、麻省理工學院(MIT)與哈爾濱工業大學(HIT)等研究人員合作,歷經兩年的努力首次通過理論計算模擬,並搭配實驗奈米力學方法,成功實現透過應變工程(strain engineering)來改變微型鑽石的電子能帶結構。

鑽石是目前人類已知最堅硬的天然物質,一直以來都是男男女女熱烈追捧的收藏品,科學家們也對鑽石相當有興趣,因為它的超高導熱性,優異電荷載流子遷移率和超寬帶隙。近年來,科學家已可在實驗室穩定合成人工鑽石,使得鑽石在科學研究中具有更多的可能性。

由於鑽石在幾何結構與電子結構上皆有極優異的表現,鑽石被認為可以是一種高性能的電子和光子材料,帶隙是半導體材料的關鍵特性,但鑽石過大的帶隙與其緊密的晶體結構,使其難以透過半導體常用的摻雜方式進行加工,阻礙了鑽石在電子與光電工業上的應用;因為鑽石的超高硬度,透過應變工程(即對晶格施加外力,以改變其電子能帶結構與相關特性)來改變鑽石的材料特性,也被認為是不可能的任務。

這一研究的重要意義在於成功實現奈米等級之單晶鑽石極大且高度可控的彈性拉伸工程,透過第一原理密度泛函理論計算模擬,預測鑽石幾何結構拉伸變化對其電子能帶結構的影響。實驗上成功將鑽石進行單軸拉伸,在定量拉伸實驗的連續且可控的裝卸循環下,鑽石樣品表現高度均勻的彈性形變(約7.5%),並在卸載後可恢復其原始狀態。通過使用美國材料試驗學會(ASTM)標準,進一步對樣品幾何形狀最佳化,可使其達到9.7%的最大均勻拉伸應變,接近鑽石的彈性極限的理論值。

在此極大拉伸下,鑽石帶隙的減小率,沿特定的晶體取向,在約9%的應變下帶隙從5 eV降至3 eV,從原本絕緣體材料轉變為半導體材料,此實驗結果與計算預測結果一致;重要的是計算模擬更進一步表明沿特定的方向拉伸若超過9%,帶隙可從間接帶隙變成直接帶隙。這項研究確實演示了鑽石透過彈性應變工程,在光子學、微電子學與量子訊息技術中的巨大應用潛力。

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