▲鑽石拉伸模擬成果

國立交通大學材料系碩士班同學周常棣羅友杰指導教授支持下,與彰化師範大學物理系周至品助理教授加入國際研究團隊,偕同香港城市大學(CityU)、麻省理工學院(MIT)、哈爾濱工業大學(HIT)等研究人員,透過頂尖的人工鑽石合成與切割技術,實現均勻拉伸奈米等級鑽石,並且利用應變工程改變鑽石材料性質,讓結構穩定的鑽石增添半導體應用的可能性。

歷經兩年努力,其突破性研究成果「實現微加工鑽石的超大均勻拉伸彈性(Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond)」一月於國際頂尖期刊《Science》發表。周常棣在交大修讀學士期間,學習第一原理密度泛函理論(DFT)計算模擬,以量子力學為基礎的多電子結構計算方法,系統性分析鑽石在有效拉伸下的物理變化,提供理論計算之觀點,並能與實驗相互驗證,他所提供的DFT計算結果能夠很好的解釋實驗上的觀察,近一步提供良好的理論預測,使團隊研究方向維持精準與合理性兼具,傑出的貢獻使周常棣列為論文的共同第一作者。

鑽石擁有傑出的材料特性,包括硬度、強度、導熱性、穩定性與透光性,但其電子能隙過大的問題導致無法廣泛應用於半導體設備中。一般改變能隙的加工方法為摻雜雜質,而研究團隊選擇逆向思考,以對晶格施加外力的應變工程方式改變鑽石材料特性,鑽石的超高硬度也為此研究添上超高難度。

此研究成功對奈米單晶鑽石實現均勻且不同晶格方向的彈性拉伸,並逼近鑽石的理想強度,鑽石樣品呈現高達約7.5%的形變量。團隊參考美國材料試驗學會標準,進一步優化樣品的幾何形狀,可使其達到9.7%的最大均勻拉伸應變。

為了評估如此巨大的彈性應變對鑽石電子性能的影響,團隊透過第一原理密度泛函理論計算模擬,預測鑽石在拉伸後的材料電子特性。模擬結果指出,依循特定的晶格方向施加應力,9%的應變可以將鑽石能隙從5電子伏特下降至3電子伏特,使寬能隙材料鑽石轉變成可以廣泛應用的半導體材料,鑽石能隙下降的模擬預測也在實驗中被應證。此外,不同方向的9%應力也可以讓原本為間接能隙的鑽石,改變為直接能隙,展示了鑽石在應變工程下的材料特性,以及在光子學、微電子學與量子資訊技術中的巨大潛力。

這項鑽石拉伸應變研究未來將由交大團隊負責完整計算工作,並由香港城市大學團隊協助,期待更進一步的發展與突破。

本日熱門