近日，來自香港城市大學(xué)、上海大學(xué)、格羅寧根大學(xué)和南方科技大學(xué)等校的研究團(tuán)隊(duì)在金剛石物理性能調(diào)控研究領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。首次通過高溫下氦離子注入工藝實(shí)現(xiàn)金剛石內(nèi)含二維固態(tài)氦的大范圍“深度彈性應(yīng)變工程”，相關(guān)成果以《Creating two-dimensional solid helium via diamond lattice confinement》為題，發(fā)表在國(guó)際期刊《Nature Communications》上，論文共同第一作者是林為彤博士和李亦然博士，來自香港城市大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)還包括陸洋教授、趙仕俊博士、劉少飛博士、范俊博士和劉錦川院士，楊濤博士、開執(zhí)中教授為論文的通訊作者。這一成果為未來金剛石“第四代半導(dǎo)體”應(yīng)用開辟了一條全新的道路。

原文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33601-5

背景介紹 

金剛石憑借其具有超寬帶隙（~5.5eV）、低介電常數(shù)、高載流子遷移率以及極高的擊穿強(qiáng)度以及耐腐蝕性等優(yōu)異的性能，有望成為下一代微電子和光電器件的理想材料，也被譽(yù)為電子材料的“珠穆拉瑪峰”。但一直以來，由于金剛石固有的超高硬度和晶格的特性，使其摻雜極為困難。

近年來，香港城市大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了在納米尺度下金剛石可實(shí)現(xiàn)前所未有的接近9%的超大彎曲彈性應(yīng)變（Science 360 (6386), 300- 302, 2018），使得通過“彈性應(yīng)變工程”調(diào)節(jié)金剛石電子特性的一種革命性的新策略。去年，香港城市大學(xué)陸洋教授與合作團(tuán)隊(duì)繼續(xù)通過原位納米力學(xué)方法，在通過精密微加工塊體單晶金剛石上得到微陣列結(jié)構(gòu)，并通過純力學(xué)加載實(shí)現(xiàn)了接近10%的超大、均勻全局彈性應(yīng)變，并且可擴(kuò)展到器件陣列，這使得金剛石微電子器件的“深度彈性應(yīng)變工程”成為可能，有望用于下一代微電子學(xué)、光子學(xué)和量子資訊技術(shù)（Science 371 (6524), 76-78, 2021）。這一系列金剛石相關(guān)的工作展示了金剛石的寬禁帶結(jié)構(gòu)可以被調(diào)控和顯著改變，以符合未來微電子和半導(dǎo)體發(fā)展的需求，更重要的是，這也啟發(fā)了更多不同領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)應(yīng)變或者其他極端條件下對(duì)金剛石的功能性質(zhì)進(jìn)行可控調(diào)節(jié)的探索。

圖文解析與研究?jī)?nèi)容 

由于氦不溶于固體，注入的氦離子會(huì)自發(fā)析出為氦泡。研究團(tuán)隊(duì)通過控制氦離子注入工藝，成功在避免金剛石非晶化和石墨化的同時(shí)，在3 mm×2 mm面積的金剛石中引入了二維固態(tài)氦盤（見圖1）。研究團(tuán)隊(duì)通過iDPC STEM解析了金剛石晶格約束下二維固態(tài)氦盤的晶體結(jié)構(gòu)（見圖2），這也是首次通過透射電鏡觀察氦原子結(jié)構(gòu)。

研究團(tuán)隊(duì)隨后發(fā)現(xiàn)這些高壓二維固態(tài)氦盤可以對(duì)金剛石晶格產(chǎn)生相當(dāng)大的彈性應(yīng)變（見圖3a-d）。這種獨(dú)特的“應(yīng)變摻雜效應(yīng)”同樣能夠顯著地改變金剛石的電子特性，從而在未來基于金剛石的半導(dǎo)體電子學(xué)中獲得獨(dú)特的應(yīng)用。離軸STEM-EELS 測(cè)量結(jié)果表明，由二維固態(tài)氦盤引起的壓縮彈性應(yīng)變能夠使金剛石的帶隙變窄多達(dá) 2.2 eV（見圖 3e），這一發(fā)現(xiàn)也通過DFT計(jì)算進(jìn)一步證實(shí)（見圖3f）。 

圖1 氦離子注入在金剛石晶格中產(chǎn)生二維固態(tài)氦盤 

圖2二維固態(tài)氦盤的iDPC STEM圖像 

圖3 應(yīng)變摻雜金剛石的應(yīng)變分布、能帶測(cè)量與第一性原理計(jì)算預(yù)測(cè)

總結(jié)與展望 

通過可控引入材料缺陷的策略為引入并保留塊體單晶金剛石中的較大彈性應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)“深度彈性應(yīng)變工程”鋪平了道路，上述離子注入工藝可以應(yīng)用于現(xiàn)有的電子級(jí)金剛石大尺寸晶片，并適用于其他具有高彈性強(qiáng)度的共價(jià)鍵半導(dǎo)體。進(jìn)一步采用在半導(dǎo)體制造中成熟的掩膜技術(shù)，將有效地控制二維固態(tài)氦盤的空間分布，以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體平面工藝中的器件設(shè)計(jì)與集成，為未來金剛石“第四代半導(dǎo)體”應(yīng)用開辟了一條全新的道路。

作者介紹

林為彤博士，本科畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，博士畢業(yè)于香港城市大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系，師從開執(zhí)中教授和陸洋教授，研究方向?yàn)椴牧陷椪招?yīng)與原位力學(xué)，在Science、Nature Communications和Acta Materialia等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表高水平論文30余篇。

(來源：DT半導(dǎo)體)