Strækkende diamant til næste generations mikroelektronik

Diamant er det hårdeste materiale i naturen. Men af ​​mange forventninger, det har også et stort potentiale som et glimrende elektronisk materiale. Et fælles forskerhold ledet af City University of Hong Kong (CityU) har for første gang demonstreret den store, ensartet træk elastisk belastning af mikrofabricerede diamantarrays gennem den nanomekaniske tilgang. Deres fund har vist potentialet for anstrengte diamanter som førende kandidater til avancerede funktionelle enheder inden for mikroelektronik, fotonik, og kvanteinformationsteknologier.

Forskningen blev ledet af Dr. Lu Yang, Lektor i Institut for Maskinteknik (MNE) ved CityU og forskere fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) og Harbin Institute of Technology (HIT). Deres resultater er for nylig blevet offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Videnskab , med titlen "Opnå stor ensartet trækelasticitet i mikrofabrikat diamant".

"Dette er første gang, der viser den ekstremt store, ensartet elasticitet af diamant ved trækforsøg. Vores resultater viser muligheden for at udvikle elektroniske apparater gennem 'dyb elastisk belastningsteknik' af mikrofabricerede diamantstrukturer, "sagde Dr. Lu.

Diamant:"Mount Everest" af elektroniske materialer

Kendt for sin hårdhed, industrielle anvendelser af diamanter skærer normalt, boring, eller slibning. Men diamant betragtes også som et højtydende elektronisk og fotonisk materiale på grund af dets ultrahøje varmeledningsevne, enestående elektrisk ladestation mobilitet, høj nedbrydningsstyrke og ultrabred bandgap. Bandgap er en nøgleegenskab i halvleder, og bred båndgap tillader betjening af højeffekt- eller højfrekvente enheder. "Derfor kan diamant betragtes som" Mount Everest "af elektroniske materialer, besidder alle disse fremragende egenskaber, "Sagde Dr. Lu.

Imidlertid, den store båndgap og den stramme krystalstruktur af diamant gør det svært at "dope", en fælles måde at modulere halvledernes elektroniske egenskaber under produktionen, dermed hæmmer diamantens industrielle anvendelse i elektroniske og optoelektroniske enheder. Et potentielt alternativ er ved "stamteknik", det vil sige at anvende meget stor gitterstamme, at ændre den elektroniske båndstruktur og tilhørende funktionelle egenskaber. Men det blev betragtet som "umuligt" for diamant på grund af dets ekstremt høje hårdhed.

Så i 2018, Dr. Lu og hans samarbejdspartnere opdagede, at overraskende, nanoskala diamant kan elastisk bøjes med uventet stor lokal belastning. Denne opdagelse tyder på, at ændring af fysiske egenskaber i diamant gennem elastisk belastningsteknik kan være mulig. Baseret på dette, den seneste undersøgelse viste, hvordan dette fænomen kan bruges til at udvikle funktionelle diamantenheder.

Ensartet trækbelastning på tværs af prøven

Teamet mikrofabrikerede først enkeltkrystallinske diamantprøver fra en solid diamant enkeltkrystaller. Prøverne var i brolignende form-cirka en mikrometer lang og 300 nanometer bred, med begge ender bredere til greb (Se billede:Trækbelastning af diamantbroer). Diamantbroerne blev derefter uniaxielt strakt på en velkontrolleret måde inden for et elektronmikroskop. Under cyklusser med kontinuerlig og kontrollerbar lastning-losning af kvantitative trækprøver, diamantbroerne viste en meget ensartet, stor elastisk deformation af ca. 7,5% belastning på tværs af hele målesektionen af ​​prøven, frem for at deformere i et lokaliseret område i bøjning. Og de genvandt deres oprindelige form efter losning.

Ved yderligere at optimere prøvegeometrien ved hjælp af American Society for Testing and Materials (ASTM) standarden, de opnåede en maksimal ensartet trækbelastning på op til 9,7%, som endda overskred den maksimale lokale værdi i 2018 -undersøgelsen, og var tæt på den teoretiske elastiske grænse for diamant. Vigtigere, at demonstrere konceptet for anstrengt diamantindretning, holdet indså også elastisk belastning af mikrofabrikkerede diamantarrays.

Tuning af båndgabet med elastiske stammer

Holdet udførte derefter beregninger af densitetsfunktionsteori (DFT) for at estimere virkningen af ​​elastisk belastning fra 0 til 12% på diamantens elektroniske egenskaber. Simuleringsresultaterne indikerede, at diamantbåndet generelt faldt, da trækbelastningen steg, med den største båndgapreduktionshastighed ned fra ca. 5 eV til 3 eV ved omkring 9% stamme langs en specifik krystallinsk orientering. Teamet udførte en elektron-energitabspektroskopi-analyse på en forudbelastet diamantprøve og verificerede denne faldende tendens i båndgabet.

Deres beregningsresultater viste også, at interessant, båndgabet kunne ændre sig fra indirekte til direkte med trækstammerne større end 9% langs en anden krystallinsk orientering. Direkte båndgab i halvleder betyder, at en elektron direkte kan udsende en foton, muliggøre mange optoelektroniske applikationer med højere effektivitet.

Disse fund er et tidligt skridt i at opnå dyb elastisk belastningsteknik af mikrofabrikkerede diamanter. Ved nanomekanisk tilgang, holdet demonstrerede, at diamantens båndstruktur kan ændres, og endnu vigtigere, disse ændringer kan være kontinuerlige og reversible, tillader forskellige applikationer, fra mikro/nanoelektromekaniske systemer (MEMS/NEMS), stamme-konstruerede transistorer, til nye optoelektroniske og kvanteteknologier. "Jeg tror, ​​at en ny æra for diamant er foran os, "sagde Dr. Lu.