Алмазная растяжка для микроэлектроники нового поколения

Алмаз — самый твердый материал в природе. Но вопреки многим ожиданиям он также имеет большой потенциал в качестве отличного электронного материала. Совместная исследовательская группа, возглавляемая Городским университетом Гонконга (CityU), впервые продемонстрировала большую однородную упругую деформацию при растяжении микроизготовленных алмазных массивов с помощью наномеханического подхода. Их результаты показали потенциал деформированных алмазов в качестве главных кандидатов для передовых функциональных устройств в микроэлектронике, фотонике и квантовых информационных технологиях.

Исследованием руководили доктор Лу Янг, доцент кафедры машиностроения (MNE) CityU, и исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Харбинского технологического института (HIT). Их результаты недавно были опубликованы в научном журнале. Наука, озаглавленный «Достижение большой однородной эластичности при растяжении в микроизготовленном алмазе».


«Это первый раз, когда с помощью экспериментов на растяжение показана чрезвычайно большая однородная эластичность алмаза. Наши результаты демонстрируют возможность разработки электронных устройств посредством« инженерии глубокой упругой деформации »микроструктур алмазов», — сказал д-р Лу.

Бриллиант: «Эверест» из электронных материалов.

Алмазы, хорошо известные своей твердостью, обычно используются для резки, сверления или шлифования. Но алмаз также считается высокоэффективным электронным и фотонным материалом из-за его сверхвысокой теплопроводности, исключительной подвижности носителей электрического заряда, высокой прочности на пробой и сверхширокой запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны является ключевым свойством полупроводников, а широкая запрещенная зона позволяет работать мощным или высокочастотным устройствам. «Вот почему алмаз можно рассматривать как« Эверест »среди электронных материалов, обладающих всеми этими превосходными свойствами, — сказал доктор Лу.

Однако большая ширина запрещенной зоны и плотная кристаллическая структура алмаза затрудняют «легирование» — распространенный способ модуляции электронных свойств полупроводников во время производства, тем самым затрудняя промышленное применение алмаза в электронных и оптоэлектронных устройствах. Возможной альтернативой является «инженерия деформации», то есть применение очень большой деформации решетки для изменения зонной электронной структуры и связанных функциональных свойств. Но для алмаза это считалось «невозможным» из-за его чрезвычайно высокой твердости.

Затем, в 2018 году, доктор Лу и его сотрудники обнаружили, что, что удивительно, наноразмерный алмаз может быть упруго изогнут с неожиданно большой локальной деформацией. Это открытие предполагает, что изменение физических свойств алмаза с помощью инженерии упругих деформаций возможно. Основываясь на этом, последнее исследование показало, как это явление можно использовать для разработки функциональных алмазных устройств.

Равномерная деформация при растяжении по образцу

Команда впервые создала образцы монокристаллического алмаза из твердых монокристаллов алмаза. Образцы имели форму моста — около одного микрометра в длину и 300 нанометров в ширину, причем оба конца были шире для захвата (см. Изображение: деформация при растяжении алмазных мостиков). Затем алмазные мостики одноосно растягивали контролируемым образом в электронном микроскопе. В циклах непрерывной и контролируемой нагрузки-разгрузки количественных испытаний на растяжение алмазные мосты продемонстрировали очень однородную большую упругую деформацию с деформацией около 7,5% по всей калибровочной части образца, а не деформацию в локализованном участке при изгибе. И они восстановили свою первоначальную форму после разгрузки.

Путем дальнейшей оптимизации геометрии образца с использованием стандарта Американского общества испытаний и материалов (ASTM) они достигли максимальной равномерной деформации растяжения до 9,7%, что даже превзошло максимальное локальное значение в исследовании 2018 года и было близко к теоретическому. предел упругости алмаза. Что еще более важно, чтобы продемонстрировать концепцию устройства для деформирования алмазов, команда также реализовала упругое деформирование микроизготовленных алмазных массивов.

Регулировка запрещенной зоны за счет упругих деформаций

Затем команда выполнила расчеты теории функционала плотности (DFT), чтобы оценить влияние упругой деформации от 0 до 12% на электронные свойства алмаза. Результаты моделирования показали, что ширина запрещенной зоны алмаза обычно уменьшается по мере увеличения деформации растяжения, при этом максимальная скорость уменьшения ширины запрещенной зоны снижается с примерно 5 эВ до 3 эВ при деформации примерно 9% вдоль определенной кристаллической ориентации. Команда провела анализ спектроскопии потерь энергии электронов на предварительно напряженном образце алмаза и подтвердила эту тенденцию к уменьшению ширины запрещенной зоны.

Результаты их расчетов также показали, что, что интересно, ширина запрещенной зоны может изменяться с косвенной на прямую с деформациями растяжения более 9% вдоль другой кристаллической ориентации. Прямая запрещенная зона в полупроводнике означает, что электрон может напрямую излучать фотон, что позволяет использовать многие оптоэлектронные приложения с более высокой эффективностью.

Эти открытия являются ранним шагом в достижении инженерии глубокой упругой деформации алмазов, изготовленных на микрообработке. Используя наномеханический подход, команда продемонстрировала, что полосная структура алмаза может быть изменена, и, что более важно, эти изменения могут быть непрерывными и обратимыми, что позволяет использовать различные приложения, от микро / наноэлектромеханических систем (MEMS / NEMS), напряженно-инженерных транзисторов до новых оптоэлектронные и квантовые технологии. «Я считаю, что нас ждет новая эра алмазов», — сказал д-р Лу.

Исследования в CityU финансировались Советом по исследовательским грантам Гонконга и Национальным фондом естественных наук КНР.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments