新年首篇《Science》：金刚石实现极大、可逆、均匀弹性变形！

导读：金刚石不仅是自然界中最坚硬的材料，而且还是具有超宽带隙、出色的载流子迁移率和导热性的极限电子材料。拉伸金刚石可以为设备应用带来非常优异的品质。本文在室温下沿[100]，[101]和[111]方向对长度约1微米，宽度约100纳米的单晶金刚石桥结构进行了微加工，并在单轴拉伸载荷下实现了样品范围内的均匀弹性应变。极大、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，该成果为深度弹性应变工程在光子学、电子学和量子信息技术方面提供巨大应用潜力。

金刚石是电子和光子材料的“珠穆朗玛峰”，因为它的超高热导率、介电击穿强度、迁移载流子和超宽带隙。实现基于金刚石的电子和光电器件的一个严重障碍是大禁带及其晶体结构引起的掺杂挑战。目前可能的解决方案是应用弹性晶格应变，它可以从根本上改变材料的性质。最近通过弯曲纳米级金刚石针证明了超大的弹性变形，局部拉伸弹性应变达到了9％以上。这一发现表明，深弹性应变工程（ESE）在金刚石中产生非常高（> 5％）的拉伸和剪切弹性应变，可能会从根本上改变物理性能。但是， 我们需要在足够大的范围内进行精确控制，以充分利用深度ESE进行行业中 的大规模集成加工。

以往对金刚石的应变尝试往往受到使应变在小样本体积内弯曲的限制，导致应变分布不均匀。这些样品很难控制，因此产生的高应变场会高度局部化。在相当大的体积实现大均匀弹性应变往往是所希望的初始状态。由于众所周知的“越小越好”的趋势，这种情况很难在微米级样品中（例如在干净的晶圆中）通过实验实现，这表明增大尺寸会削弱样品。

在此，香港城市大学联合哈尔滨工业大学、台湾国立交通大学、南方科技大学及美国麻省理工学院等国内外七所顶级科研机构实现了微细单晶金刚石在拉伸载荷下的极大、可逆和均匀的弹性变形。极大、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，该成果为深度弹性应变工程在光子学、电子学和量子信息技术方面提供巨大应用潜力。相关研究成果以题“Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond”于北京时间2021年1月1日发表在Science上。

作者使用了先进的微细加工工艺，通过微波等离子体辅助化学气相沉积法制备了块状单晶金刚石。通过在室温下沿[100]，[101]和[111]方向对微米级金刚石桥进行原位机械拉伸实验，研究了这种可逆且均匀的弹性变形的关键特征。与其他两个方向相比，沿[101]方向的应变会引起更大的带隙减小。根据计算，沿[111]方向的拉伸应变大于9％时，可能会发生间接-直接的带隙跃迁。