近日，來自香港城市大學、上海大學、格羅寧根大學和南方科技大學等校的研究團隊在金剛石物理性能調控研究領域取得了重要進展。首次通過高溫下氦離子注入工藝實現金剛石內含二維固態氦的大范圍“深度彈性應變工程”，相關成果以《Creating two-dimensional solid helium via diamond lattice confinement》為題，發表在國際期刊《Nature Communications》上，論文共同第一作者是林為彤博士和李亦然博士，來自香港城市大學的研究團隊還包括陸洋教授、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“第四代半導體”應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、高載流子遷移率以及極高的擊穿強度以及耐腐蝕性等優異的性能，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，香港城市大學領導的科研團隊首次報道了在納米尺度下金剛石可實現前所未有的接近9%的超大彎曲彈性應變（Science 360 (6386), 300- 302, 2018），使得通過“彈性應變工程”調節金剛石電子特性的一種革命性的新策略。去年，香港城市大學陸洋教授與合作團隊繼續通過原位納米力學方法，在通過精密微加工塊體單晶金剛石上得到微陣列結構，并通過純力學加載實現了接近10%的超大、均勻全局彈性應變，并且可擴展到器件陣列，這使得金剛石微電子器件的“深度彈性應變工程”成為可能，有望用于下一代微電子學、光子學和量子資訊技術（Science 371 (6524), 76-78, 2021）。這一系列金剛石相關的工作展示了金剛石的寬禁帶結構可以被調控和顯著改變，以符合未來微電子和半導體發展的需求，更重要的是，這也啟發了更多不同領域的學者對應變或者其他極端條件下對金剛石的功能性質進行可控調節的探索。

圖文解析與研究內容 

由于氦不溶于固體，注入的氦離子會自發析出為氦泡。研究團隊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，在3 mm×2 mm面積的金剛石中引入了二維固態氦盤（見圖1）。研究團隊通過iDPC STEM解析了金剛石晶格約束下二維固態氦盤的晶體結構（見圖2），這也是首次通過透射電鏡觀察氦原子結構。

研究團隊隨后發現這些高壓二維固態氦盤可以對金剛石晶格產生相當大的彈性應變（見圖3a-d）。這種獨特的“應變摻雜效應”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體電子學中獲得獨特的應用。離軸STEM-EELS 測量結果表明，由二維固態氦盤引起的壓縮彈性應變能夠使金剛石的帶隙變窄多達 2.2 eV（見圖 3e），這一發現也通過DFT計算進一步證實（見圖3f）。 

圖1 氦離子注入在金剛石晶格中產生二維固態氦盤 

圖2二維固態氦盤的iDPC STEM圖像 

圖3 應變摻雜金剛石的應變分布、能帶測量與第一性原理計算預測

總結與展望 

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變，實現“深度彈性應變工程”鋪平了道路，上述離子注入工藝可以應用于現有的電子級金剛石大尺寸晶片，并適用于其他具有高彈性強度的共價鍵半導體。進一步采用在半導體制造中成熟的掩膜技術，將有效地控制二維固態氦盤的空間分布，以實現半導體平面工藝中的器件設計與集成，為未來金剛石“第四代半導體”應用開辟了一條全新的道路。

作者介紹

林為彤博士，本科畢業于西北工業大學，博士畢業于香港城市大學機械工程學系，師從開執中教授和陸洋教授，研究方向為材料輻照效應與原位力學，在Science、Nature Communications和Acta Materialia等國際學術期刊發表高水平論文30余篇。

(來源：DT半導體)