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研究实现金刚石大而均匀的拉伸弹性应变

发布日期:2021-01-12 01:58 作者:OPE体育

  中国香港城市大学、哈尔滨工业大学和美国麻省理工学院等机构研究人员,首次使用纳米力学方法,实现了微晶金刚石阵列的大而均匀的拉伸弹性应变。该发现显示了金刚石作为微电子学、光子学和量子信息技术中高级功能器件的主要候选材料的潜力。相关论文日前刊登于《科学》。

  “这是第一次通过拉伸实验显示金刚石具有极大的均匀弹性。我们的发现证明了通过微加工金刚石结构的深层弹性应变工程开发电子设备的可能性。”论文通讯作者之一、香港城市大学副教授陆洋说。

  金刚石被认为是一种高性能的电子和光子材料。然而,由于金刚石的大带隙和紧凑的晶体结构,使得在生产过程中调制半导体电子性能的常用方法难以实现,阻碍了其在电子和光电子器件中的工业应用。一种可能的方法是通过“应变工程”,即应用非常大的晶格应变,改变带隙结构和相关的功能性质。但由于金刚石具有极高的硬度,这被认为是“不可能的”。

  之前,研究人员发现,纳米级的钻石可以在意想不到的大局部应变下发生弹性弯曲。在此基础上,新研究表明了如何利用这一现象开发功能性金刚石器件。

  该团队首先制备了样品。这些样品呈桥状大约1微米长、300纳米宽,两端更宽。在连续可控的加载卸载定量拉伸实验循环下,金刚石桥在整个试件测量截面上表现出高度均匀的大弹性变形,约为7.5%,而不是弯曲局部的变形。之后,它们恢复了原来的形状。

  研究人员对样品几何结构进行了进一步优化,最大均匀拉伸应变达到9.7%,甚至超过了之前研究的局部最大值,接近金刚石的理论弹性极限。更重要的是,为演示应变金刚石装置的概念,该团队还实现了微晶金刚石阵列的弹性应变。

  研究小组随后进行了计算,以估计弹性应变对其电子特性的影响。模拟结果表明,随着拉伸应变的增加,金刚石的带隙宽度普遍减小,在9%的应变下,沿特定晶体取向的带隙宽度能从5eV左右减小到3eV左右。


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