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金刚石以其硬度而闻名，其工业应用通常是切割，钻孔或磨削。但它不仅是自然界中最坚硬的的材料，它还出人意料同时拥有超高的导热性、介电击穿强度、载流子迁移率以及超宽的带隙。得益于这些优异的特性，金刚石被称为电子材料的“珠穆拉玛峰”，并且在光电应用的方向上被寄予厚望。但也是因为超大的能带间隙和紧密的晶体结构，金刚石难以“掺杂”（调节半导体电子特性的常用方法），想要“登顶珠峰”——将金刚石在光电器件中工业化应用仍是困难重重。对于难以掺杂的材料，有一种潜在的解决方法是通过施加巨大的晶格应变，以改变电子能带结构和相关性质。但是因为金刚石极高的硬度，这种方法一度被认为是无效的。直到年，香港城市大学陆洋博士和他的合作者首次发现，纳米级的金刚石可以发生超大的弹性应变，局部拉伸弹性应变达到9%甚至更高。这一惊人发现表明，通过弹性应变工程（ESE）改变金刚石的物理性质是可能的。年1月1日，香港城市大学陆洋教授、AliceHu团队和哈尔滨工业大学朱嘉琦教授、麻省理工学院李巨教授合作，首次通过纳米力学方法，展示了微晶金刚石阵列均匀的深弹性应变。超大的、高度可控的弹性应变可以从根本上改变金刚石的能带结构，通过计算带隙减少多达2eV。这项发现表明通过精细加工钻石结构的深度弹性应变工程，使得可拉伸金刚石有望用于下一代微电子学、光子学和量子信息技术。该工作以“Achievinglargeuniformtensileelasticityinmicrofabricateddiamond”发表在《Science》上。均匀的拉伸应变Figure1.沿[]方向的装卸拉伸实验该团队首先从固体金刚石单晶中细微加工了单晶金刚石样品。这些样品呈桥状，大约一微米长，纳米宽，两端更宽，便于夹持。在连续可控加卸载的定量拉伸试验循环下，金刚石桥在整个截面上表现出高度均匀的超大弹性变形（约7.5%的应变），而不是在弯曲的局部区域变形。卸载后，它们完全恢复了原来的形状。通过使用美国材料试验学会（ASTM）标准进一步优化样品几何形状，最终获得了高达9.7％的最大均匀拉伸应变，甚至超过了年研究中的最大局部值，并接近金刚石理论上的弹性极限。为了演示应变金刚石作为器件的可行性，作者还微加工了金刚石桥阵列，阵列在均匀的应变到5.8%后也能完全恢复为最初的形状，通过有限元分析也确认了金刚石阵列中的均匀弹性应变分布。通过弹性应变调整带隙Figure2.[]，[]和[]取向金刚石的统计拉伸结果作者汇总了[]，[]和[]取向金刚石样品的所有抗拉强度的实验数据，实验证明样品在3个不同方向上均能达到6.5~8.2%的样品宽弹性应变，且恢复完全。随着实验接近10％的均匀弹性应变，作者进行了密度泛函计算（DFT），以评估从0到12%的弹性应变对于金刚石的电子特性的影响。模拟结果表明，金刚石的带隙一般随着拉伸应变的增加而减小，在9%左右的应变下，沿特定晶体取向的禁带宽度最多可以从5eV左右减小到3eV左右。作者还对样品进行了电子能量损失光谱分析，进一步证实了这种带隙减小的趋势。大而均匀的弹性应变应该驱动带隙的变化，与其他两个方向相比，沿[]方向的应变会引起更大的带隙减小。经过更深入的计算，沿[]方向的拉伸应变大于9％时，间接带隙会转变为直接带隙，这意味着电子跃迁时不需要释放或吸收声子，使用这种材料的光电器件会有更高的效率。总结这些发现是实现微加工金刚石深度弹性应变工程的早期步骤。通过纳米力学方法，作者证明了金刚石的能带结构可以改变，更重要的是，这些改变可以是连续和可逆的。微米尺寸的单晶金刚石桥结构非常适合机电系统(MEMS/NEMS)、应变工程晶体管，以及新颖的光电和量子器件阵列的规模。陆洋教授说:“我相信钻石的新时代就在我们面前。”全文链接：


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