↑圖／交通大學(xué)提供

國立交通大學(xué)材料系碩士班同學(xué)周常棣在羅友杰指導(dǎo)教授支持下，與彰化師範(fàn)大學(xué)物理系周至品助理教授加入國際研究團(tuán)隊，偕同香港城市大學(xué)(CityU)、麻省理工學(xué)院(MIT)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)(HIT)等研究人員，透過頂尖的人工鑽石合成與切割技術(shù)，實現(xiàn)均勻拉伸奈米等級鑽石，並且利用應(yīng)變工程改變鑽石材料性質(zhì)，讓結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鑽石增添半導(dǎo)體應(yīng)用的可能性。

歷經(jīng)兩年努力，其突破性研究成果「實現(xiàn)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(fā)表。周常棣在交大修讀學(xué)士期間，學(xué)習(xí)第一原理密度泛函理論(DFT)計算模擬，以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的多電子結(jié)構(gòu)計算方法，系統(tǒng)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(jié)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(yù)測，使團(tuán)隊研究方向維持精準(zhǔn)與合理性兼具，傑出的貢獻(xiàn)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(dǎo)熱性、穩(wěn)定性與透光性，但其電子能隙過大的問題導(dǎo)致無法廣泛應(yīng)用於半導(dǎo)體設(shè)備中。一般改變能隙的加工方法為摻雜雜質(zhì)，而研究團(tuán)隊選擇逆向思考，以對晶格施加外力的應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)高達(dá)約7.5%的形變量。團(tuán)隊參考美國材料試驗學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步優(yōu)化樣品的幾何形狀，可使其達(dá)到9.7％的最大均勻拉伸應(yīng)變。

為了評估如此巨大的彈性應(yīng)變對鑽石電子性能的影響，團(tuán)隊透過第一原理密度泛函理論計算模擬，預(yù)測鑽石在拉伸後的材料電子特性。模擬結(jié)果指出，依循特定的晶格方向施加應(yīng)力，9%的應(yīng)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(zhuǎn)變成可以廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料，鑽石能隙下降的模擬預(yù)測也在實驗中被應(yīng)證。此外，不同方向的9%應(yīng)力也可以讓原本為間接能隙的鑽石，改變?yōu)橹苯幽芟叮故玖髓嵤趹?yīng)變工程下的材料特性，以及在光子學(xué)、微電子學(xué)與量子資訊技術(shù)中的巨大潛力。

這項鑽石拉伸應(yīng)變研究未來將由交大團(tuán)隊負(fù)責(zé)完整計算工作，並由香港城市大學(xué)團(tuán)隊協(xié)助，期待更進(jìn)一步的發(fā)展與突破。

 

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