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香港城市大學(xué)帶領(lǐng)的團隊成功找到了能將鉆石應(yīng)用于微電子、光電和量子信息器件的證據(jù)：一種直徑只有人類頭發(fā)百分之一的鉆石，在室溫下可達到最大均勻拉伸應(yīng)變 9.7%。

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圖片來源：Evie S. on Unsplash

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翻譯 李姍珊

編輯 戚譯引

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鉆石（金剛石）或許即將擁有新的代表意義。

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在珠寶商眼被鉆石閃亮的外表所吸引，而工程師們看中的卻是其他特性：高度導(dǎo)電和導(dǎo)熱性。通過實驗室制備的可拉伸的鉆石，研究人員希望能夠加強金剛石的特定性質(zhì)，以便制備下一代電子元件，如未來的量子計算機芯片。這項突破性的新研究于 1 月 1 日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。

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替代材料

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一直以來，工程學(xué)家們都希望能找到一種優(yōu)于硅的材料，以制出更小、運行更快且有效性更高的芯片。而在這個問題上，金剛石材料是工程學(xué)家們的“珠穆朗瑪峰”：理論上非常美好，但實現(xiàn)難度極高。

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橫亙在工程師們面前的阻礙，一是如何克服材料的晶體結(jié)構(gòu)局限，二是提升材料的“優(yōu)值（figure-of-merit）”，即描述材料是否適宜制作電子元件的性質(zhì)指標(biāo)。

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該研究的共同作者，美國麻省理工學(xué)院（MIT）材料科學(xué)及工程學(xué)教授李巨表示，材料的電子能帶隙（bandgap）是半導(dǎo)體里的一個重要特性。“帶隙是判斷材料的物理性質(zhì)如何隨彈力應(yīng)變而改變的重要指標(biāo)。”寬帶隙的材料可制備高功率或高頻的器件。

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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(yīng)變（lattice strain），是否能夠提升材料的優(yōu)值。不過，由于塊體金剛石的極高硬度和脆性，長期以來，研究者們都認(rèn)為這一做法不可行。

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在這項新研究中，團隊首先對高質(zhì)量單晶金剛石進行微加工，制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(yīng)變測試，觀察在不同的應(yīng)力下，金剛石的晶體結(jié)構(gòu)是如何改變的。研究團隊實現(xiàn)了樣本整體均勻彈性拉伸應(yīng)變達 7.5%，且在卸載后回復(fù)到原來形狀。實驗觀測到的最大拉伸應(yīng)變?yōu)?9.7%，團隊表示，這與金剛石材料能夠達到的理想彈性極限已十分接近。

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而團隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉伸應(yīng)變增加時，金剛石帶隙會隨之減少。此外，當(dāng)順著另一特定晶向的應(yīng)變超過 9% 時，帶隙會由“間接帶隙（indirect bandgap）”變?yōu)椤爸苯訋丁?。在直接帶隙中，電子可直接躍遷并釋放光子，不涉及動量的改變，具備這樣性質(zhì)的材料有應(yīng)用于光電元件、甚至量子元件的潛力。

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未來前景

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盡管將這種彈性金剛石材料用于制作電子元件似乎還很遙遠，團隊認(rèn)為，他們的研究結(jié)果或許將推進金剛石元件走向市場。

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“金剛石是制備高頻率、大功率電子器件的理想候選材料，還有應(yīng)用至新型光電技術(shù)及量子信息技術(shù)的無限潛能?！?李巨說道。

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未來的量子計算機或許將使用金剛石制成的芯片，這樣的材料革新將提高計算機的熱導(dǎo)率，也或許能讓量子計算機在高于絕對零度的溫度下運行。研究共同作者，香港城市大學(xué)機械工程學(xué)系副教授陸洋博士表示︰“我相信，一個金剛石的新世代即將來臨?！?

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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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