香港城市大學帶領的團隊成功找到了能將鑽石應用於(yu) 微電子、光電和量子信息器件的證據：一種直徑隻有人類頭發百分之一的鑽石，在室溫下可達到最大均勻拉伸應變 9.7%。

圖片來源：Evie S. on Unsplash

翻譯 李姍珊

編輯 戚譯引

鑽石（金剛石）或許即將擁有新的代表意義(yi) 。

在珠寶商眼被鑽石閃亮的外表所吸引，而工程師們(men) 看中的卻是其他特性：高度導電和導熱性。通過實驗室製備的可拉伸的鑽石，研究人員希望能夠加強金剛石的特定性質，以便製備下一代電子元件，如未來的量子計算機芯片。這項突破性的新研究於(yu) 1 月 1 日發表在《科學》（Science）雜誌上。

替代材料

一直以來，工程學家們(men) 都希望能找到一種優(you) 於(yu) 矽的材料，以製出更小、運行更快且有效性更高的芯片。而在這個(ge) 問題上，金剛石材料是工程學家們(men) 的“珠穆朗瑪峰”：理論上非常美好，但實現難度極高。

橫亙(gen) 在工程師們(men) 麵前的阻礙，一是如何克服材料的晶體(ti) 結構局限，二是提升材料的“優(you) 值（figure-of-merit）”，即描述材料是否適宜製作電子元件的性質指標。

該研究的共同作者，美國麻省理工學院（MIT）材料科學及工程學教授李巨表示，材料的電子能帶隙（bandgap）是半導體(ti) 裏的一個(ge) 重要特性。“帶隙是判斷材料的物理性質如何隨彈力應變而改變的重要指標。”寬帶隙的材料可製備高功率或高頻的器件。

李巨團隊希望探究的問題是，在不損害材料的前提下，如果對金剛石材料施加較大的晶格應變（lattice strain），是否能夠提升材料的優(you) 值。不過，由於(yu) 塊體(ti) 金剛石的極高硬度和脆性，長期以來，研究者們(men) 都認為(wei) 這一做法不可行。

在這項新研究中，團隊首先對高質量單晶金剛石進行微加工，製備了微型單晶金剛石橋樣品。該團隊在電子顯微鏡下對這些微型單晶金剛石進行拉伸應變測試，觀察在不同的應力下，金剛石的晶體(ti) 結構是如何改變的。研究團隊實現了樣本整體(ti) 均勻彈性拉伸應變達 7.5%，且在卸載後回複到原來形狀。實驗觀測到的最大拉伸應變為(wei) 9.7%，團隊表示，這與(yu) 金剛石材料能夠達到的理想彈性極限已十分接近。

而團隊發現，當拉伸應變增加時，金剛石帶隙會(hui) 隨之減少。此外，當順著另一特定晶向的應變超過 9% 時，帶隙會(hui) 由“間接帶隙（indirect bandgap）”變為(wei) “直接帶隙”。在直接帶隙中，電子可直接躍遷並釋放光子，不涉及動量的改變，具備這樣性質的材料有應用於(yu) 光電元件、甚至量子元件的潛力。

未來前景

盡管將這種彈性金剛石材料用於(yu) 製作電子元件似乎還很遙遠，團隊認為(wei) ，他們(men) 的研究結果或許將推進金剛石元件走向市場。

“金剛石是製備高頻率、大功率電子器件的理想候選材料，還有應用至新型光電技術及量子信息技術的無限潛能。” 李巨說道。

未來的量子計算機或許將使用金剛石製成的芯片，這樣的材料革新將提高計算機的熱導率，也或許能讓量子計算機在高於(yu) 絕對零度的溫度下運行。研究共同作者，香港城市大學機械工程學係副教授陸洋博士表示︰“我相信，一個(ge) 金剛石的新世代即將來臨(lin) 。” 

參考鏈接

https://www.inverse.com/innovation/scientists-stretched-diamonds-for-better-computers

https://mp.weixin.qq.com/s/2c5krLT-KvZ6ygO1HNfxcw

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