Упругая деформация алмазов сделает их пригодными для продвинутой микроэлектроники
Хорошо известный своей твердостью, алмаз также является высокоэффективным электронным и фотонным материалом из-за его сверхвысокой теплопроводности, исключительной подвижности носителей электрического заряда, высокой прочности и сверхширокой запрещенной зоны, которая оптимальна для мощных или высокочастотных устройств.
Однако, плотная кристаллическая структура алмаза препятствует использованию легирование - распространенного метода настройки электронных свойств полупроводников. это мешает промышленному применению алмаза в электронных и оптоэлектронных устройствах.
Возможной альтернативой легирование является применение деформации кристаллической решетки для изменения зонной электронной структуры и соответствующих функциональных свойств. Но для алмаза "деформационная инженерия" считалась неприемлемой из-за чрезвычайно высокой твердости данного материала.
В 2018 году, Лю Ян (Lu Yang), доцент кафедры машиностроения Городского университета Гонконга (CityU), и его коллеги из Массачусетского и Харбинского технологических институтов показали, что нанометровые образцы алмаза способны выдерживать неожиданно высокую степень упругой деформации. В новой статье той же команды, недавно опубликованной престижным журналом Science, демонстрируется, как это явление можно использовать для разработки функциональных устройств алмазной электроники.
Образцы, изготовленные из монокристаллического алмаза, имели форму мостика - около одного микрометра в длину и 300 нанометров в ширину, причем оба конца были сделаны более широкими для удобства захвата. В циклах непрерывного и контролируемого одноосного нагружения-разгрузки эти алмазные перемычки продемонстрировали равномерную деформацию растяжения до 9,7%, что близко к теоретическому пределу упругости алмаза. После снятия нагрузки, образцы восстанавливали свою первоначальную форму.
Компьютерное моделирование с помощью теории функционала плотности (DFT) показало, что ширина запрещенной зоны алмаза уменьшается по мере роста деформации, причем больше всего она снижается (примерно с 5 эВ до 3 эВ) при 9-процентной деформации вдоль определенной кристаллической оси. Анализ спектроскопии потерь энергии электронов на предварительно деформированном образце алмаза экспериментально подтвердил эту тенденцию к уменьшению ширины запрещенной зоны.
Интересным результатом вычислений стала возможность изменения запрещенной зоны с непрямой на прямую при растяжении более 9% по другой оси кристалла. В прямозонных полупроводниках электрон может напрямую излучать фотон, что позволяет реализовать многие оптоэлектронные приложения с более высокой эффективностью.
Эти результаты представляют первый шаг к деформационной инженерии алмазов, которая откроет этим продвинутым материалам путь в различные приложения, от микро/наноэлектромеханических систем (MEMS/NEMS) и напряженных транзисторов до инновационных оптоэлектронных и квантовых технологий.
