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半导体和电子

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弹性钻石可用于制造LED和激光

09 Jan 2021
弹性钻石
应力和应变:用于拉伸钻石样品的装置的艺术表现形式。在现实生活中,钻石的净块大约为5微米高。 (礼貌:香港城市大学)

通常,中国的国际科学家团队将脆性钻石拉伸了近10%。该小组完成的建模表明,这种拉伸会显着改变材料的电子性能,这可能会导致钻石的新应用,例如LED和可变色激光器。

钻石不仅在珠宝中闪耀,还因其非凡的性能而吸引着科学家。钻石是地球上最坚硬的材料,具有很高的电荷载流子迁移率,几乎是完全透明的。它还具有很高的热导率和很高的介电击穿强度,这在大功率电子设备中很有用。

不幸的是,钻石具有多种特性,使其不适用于电子应用。它具有5.47 eV的很大的间接带隙,因此很少有自由电荷载流子。而且,间接带隙半导体不能通过电子跃迁与光有效地相互作用,因此金刚石不能用作光源或太阳能电池。

应变工程

可以通过添加杂质原子(掺杂)来改变半导体的电子性能,但是由于其碳晶格的刚性,这在金刚石中非常困难。掺杂的另一种选择是应变工程,它涉及改变晶格中的原子间距。例如,每台现代PC中的处理器都包含应变硅,该应变硅具有随应变工程而改变的电子或空穴迁移率。

“在硅上(我们也在努力研究),如果仅施加1%的应变,就会看到电迁移率发生巨大变化,”解释联合组长 杨露 香港城市大学在新的研究中,研究小组研究了应变工程技术是否可以帮助钻石。

理论计算表明,金刚石晶格应承受高达约12%的应变。然而,实际上,当对真实钻石施加压力时,应变会集中在晶格中的缺陷处,从而导致钻石断裂而不是拉伸。

高弹性

Lu解释说,在2018年,Lu及其同事蚀刻了纳米级钻石,并通过弯曲它们证明了钻石可以显示出高弹性:“我们发现了这一点,但应变方法无法很好地表征。” “自那时以来,许多其他小组已经完成了后续工作-主要是计算工作-预测了带隙变化,金属化甚至超导性。”然而,测试这些预测需要对应变进行精确表征。

在他们的新研究中,Lu及其同事使用先进的制造工艺来生产微米级T形单晶金刚石样品,并使用定制的机械夹具将其拉伸(见图)。他们在不同的结晶轴上测量了不同的杨氏模量,从而在钻石破裂之前达到了9.7%的最大应变。在较低的值下,应变消除后,晶格恢复其原始配置。

卢说:“我们设法将钻石微加工成所需的形状和几何形状。” “这只是设备概念的说明。我们可以扩大规模。”

直接带隙

实验限制使研究人员无法直接测量拉伸对其样品电子带结构的影响。但是,使用密度泛函理论和他们的实验数据进行的计算表明,在大约9%的应变下,带隙沿着一个晶轴从5 eV以上下降到3 eV附近。带隙沿着另一个轴从间接变为直接。

Lu的小组现在正在研究拉伸钻石的几种可能应用,包括制造不同颜色的激光。他说:“从本质上讲,钻石具有较宽的带隙,因此会产生紫外线。” “现在想象一下,如果我们拉伸钻石,它会从紫外线变成紫罗兰色,如果进一步拉伸它,它就会从紫色变成红色。”

克里斯多夫·内贝尔德国钻石和碳技术咨询公司创始董事 迪卡拉,他说,利用压力和拉应力调整半导体的能带结构“在1950年代是一个很古老的故事”。他补充说:“令人惊讶的是,您可以施加如此强的拉伸应力而不会破坏金刚石。”

马克·牛顿 英国沃里克大学(University of Warwick University)的研究人员一致认为,关键的结果是弹性:“他们通过展示这种压力水平,打开了所有这些可能性。在所有电子和光电特性方面可能发生的变化只是他们论文末尾的一句话,但这将是很酷的东西。”他对直接带隙的变化特别感兴趣,他说,直接带隙可能会导致形成基于钻石的LED。

该研究描述于 科学.

 

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年