Diamant is het hardste materiaal in de natuur. Maar uit vele verwachtingen, het heeft ook een groot potentieel als uitstekend elektronisch materiaal. Een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van de City University of Hong Kong (CityU) heeft voor het eerst aangetoond dat de grote, uniforme trek-elastische spanning van microgefabriceerde diamantarrays door de nanomechanische benadering. Hun bevindingen hebben het potentieel aangetoond van gespannen diamanten als voornaamste kandidaten voor geavanceerde functionele apparaten in micro-elektronica, fotonica, en kwantuminformatietechnologieën.

Het onderzoek werd mede geleid door Dr. Lu Yang, Universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde (MNE) van CityU en onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en het Harbin Institute of Technology (HIT). Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Wetenschap , getiteld "Het bereiken van grote uniforme trekelasticiteit in microfabricated diamant".

"Dit is de eerste keer dat de extreem grote, uniforme elasticiteit van diamant door trekexperimenten. Onze bevindingen tonen de mogelijkheid aan om elektronische apparaten te ontwikkelen door middel van 'deep elastic strain engineering' van microgefabriceerde diamantstructuren, " zei dr. Lu.

Diamond:"Mount Everest" van elektronische materialen

Bekend om zijn hardheid, industriële toepassingen van diamanten zijn meestal snijden, boren, of slijpen. Maar diamant wordt ook beschouwd als een hoogwaardig elektronisch en fotonisch materiaal vanwege zijn ultrahoge thermische geleidbaarheid, uitzonderlijke mobiliteit van elektrische ladingdragers, hoge doorslagsterkte en ultrabrede bandgap. Bandgap is een sleuteleigenschap in halfgeleiders, en brede bandgap maakt de werking van apparaten met een hoog vermogen of hoge frequentie mogelijk. "Daarom kan diamant worden beschouwd als de 'Mount Everest' van elektronische materialen, al deze uitstekende eigenschappen bezit, ' zei dokter Lu.

Echter, de grote bandgap en strakke kristalstructuur van diamant maken het moeilijk om te "dopen", een gebruikelijke manier om de elektronische eigenschappen van halfgeleiders tijdens de productie te moduleren, waardoor de industriële toepassing van diamant in elektronische en opto-elektronische apparaten wordt belemmerd. Een mogelijk alternatief is door "strain engineering", dat wil zeggen het toepassen van zeer grote roosterspanning, om de elektronische bandstructuur en bijbehorende functionele eigenschappen te veranderen. Maar vanwege de extreem hoge hardheid werd het voor diamant als "onmogelijk" beschouwd.

Toen in 2018, Dr. Lu en zijn medewerkers ontdekten dat, verrassend genoeg, diamant op nanoschaal kan elastisch worden gebogen met onverwachte grote lokale spanning. Deze ontdekking suggereert dat de verandering van fysieke eigenschappen in diamant door middel van elastische spanningstechniek mogelijk kan zijn. Op basis hiervan, de laatste studie toonde aan hoe dit fenomeen kan worden gebruikt voor het ontwikkelen van functionele diamantapparaten.

Uniforme trekbelasting over het monster

Het team microfabriceerde eerst enkelkristallijne diamantmonsters van een vaste diamanten eenkristallen. De monsters hadden de vorm van een brug - ongeveer een micrometer lang en 300 nanometer breed, met beide uiteinden breder voor grip (zie afbeelding:Trekspanning van diamantbruggen). De diamantbruggen werden vervolgens uniaxiaal uitgerekt op een goed gecontroleerde manier binnen een elektronenmicroscoop. Onder cycli van continu en controleerbaar laden en lossen van kwantitatieve trekproeven, de diamanten bruggen vertoonden een zeer uniforme, grote elastische vervorming van ongeveer 7,5% rek over het hele meetgedeelte van het monster, in plaats van te vervormen op een gelokaliseerd gebied bij het buigen. En ze herstelden hun oorspronkelijke vorm na het lossen.

Door de monstergeometrie verder te optimaliseren met behulp van de American Society for Testing and Materials (ASTM) -standaard, ze bereikten een maximale uniforme treksterkte tot 9,7%, die in de studie van 2018 zelfs de maximale lokale waarde overtrof, en was dicht bij de theoretische elastische limiet van diamant. Belangrijker, om het concept van het gespannen diamantapparaat te demonstreren, het team realiseerde ook elastische spanning van microgefabriceerde diamantarrays.

Afstemmen van de bandgap door elastische spanningen

Het team voerde vervolgens berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) uit om de impact van elastische belasting van 0 tot 12% op de elektronische eigenschappen van de diamant te schatten. De simulatieresultaten gaven aan dat de bandgap van diamant in het algemeen afnam naarmate de trekspanning toenam, met de grootste bandgap-reductiesnelheid van ongeveer 5 eV tot 3 eV bij ongeveer 9% spanning langs een specifieke kristallijne oriëntatie. Het team voerde een elektron-energieverliesspectroscopie-analyse uit op een vooraf gespannen diamantmonster en verifieerde deze afnemende trend van de bandgap.

Hun berekeningsresultaten toonden ook aan dat, interessant, de bandgap zou kunnen veranderen van indirect naar direct met de trekspanningen groter dan 9% langs een andere kristallijne oriëntatie. Directe bandgap in halfgeleider betekent dat een elektron direct een foton kan uitzenden, waardoor veel opto-elektronische toepassingen met een hogere efficiëntie mogelijk zijn.

Deze bevindingen zijn een vroege stap in het bereiken van diepe elastische spanningsengineering van microgefabriceerde diamanten. Door nanomechanische benadering, het team toonde aan dat de bandstructuur van de diamant kan worden veranderd, en nog belangrijker, deze veranderingen kunnen continu en omkeerbaar zijn, verschillende toepassingen mogelijk maken, van micro/nano-elektromechanische systemen (MEMS/NEMS), door spanning ontworpen transistors, tot nieuwe opto-elektronische en kwantumtechnologieën. "Ik geloof dat er een nieuw tijdperk voor diamant voor ons ligt, " zei dr. Lu.