Diamant extensible pour la microélectronique de nouvelle génération –

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  • Le diamant est le matériau le plus dur de la nature. Mais sur de nombreuses attentes, il a également un grand potentiel en tant qu’excellent matériel électronique. Une équipe de recherche conjointe dirigée par l’Université de la ville de Hong Kong (CityU) a démontré pour la première fois la grande et uniforme contrainte élastique à la traction des réseaux de diamants microfabriqués grâce à une approche nanomécanique. Leurs découvertes ont montré le potentiel des diamants tendus en tant que candidats de choix pour les dispositifs fonctionnels avancés en microélectronique, photonique et technologies de l’information quantique.

    La recherche a été codirigée par le Dr Lu Yang, professeur agrégé au Département de génie mécanique (MNE) de CityU et des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et de Harbin Institute of Technology (HIT). Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique Science, intitulé “Atteindre une grande élasticité à la traction uniforme dans le diamant microfabriqué.”

    «C’est la première fois que l’on montre l’élasticité extrêmement grande et uniforme du diamant par des expériences de traction. Nos résultats démontrent la possibilité de développer des dispositifs électroniques grâce à« l’ingénierie de déformation élastique profonde »de structures de diamant microfabriquées», a déclaré le Dr Lu.

    Diamond: “Mount Everest” de matériaux électroniques

    Bien connu pour sa dureté, les applications industrielles des diamants sont généralement la coupe, le perçage ou le meulage. Mais le diamant est également considéré comme un matériau électronique et photonique haute performance en raison de sa conductivité thermique ultra-élevée, de sa mobilité exceptionnelle des porteurs de charge électrique, de sa résistance élevée au claquage et de sa bande interdite ultra-large. La bande interdite est une propriété clé dans les semi-conducteurs, et la large bande interdite permet le fonctionnement de dispositifs haute puissance ou haute fréquence. «C’est pourquoi le diamant peut être considéré comme le« mont Everest »de matériaux électroniques, possédant toutes ces excellentes propriétés», a déclaré le Dr Lu.

    Cependant, la large bande interdite et la structure cristalline serrée du diamant rendent difficile le «dopage», une manière courante de moduler les propriétés électroniques des semi-conducteurs pendant la production, entravant ainsi l’application industrielle du diamant dans les dispositifs électroniques et optoélectroniques. Une alternative potentielle est par «l’ingénierie de déformation», c’est-à-dire appliquer une très grande déformation de réseau, pour changer la structure de bande électronique et les propriétés fonctionnelles associées. Mais c’était considéré comme “impossible” pour le diamant en raison de sa dureté extrêmement élevée.

    Puis, en 2018, le Dr Lu et ses collaborateurs ont découvert que, de manière surprenante, le diamant nanométrique peut être plié élastiquement avec une forte contrainte locale inattendue. Cette découverte suggère que le changement des propriétés physiques du diamant par l’ingénierie des déformations élastiques peut être possible. Sur cette base, la dernière étude a montré comment ce phénomène peut être utilisé pour développer des dispositifs diamantés fonctionnels.

    Tension de traction uniforme à travers l’échantillon

    L’équipe a d’abord microfabriqué des échantillons de diamant monocristallin à partir d’un monocristal de diamant solide. Les échantillons étaient en forme de pont – environ un micromètre de long et 300 nanomètres de large, avec les deux extrémités plus larges pour la préhension (voir image: tension de traction des ponts en diamant). Les ponts de diamant ont ensuite été étirés uniaxialement d’une manière bien contrôlée dans un microscope électronique. Sous des cycles de chargement-déchargement continus et contrôlables d’essais de traction quantitatifs, les ponts en diamant ont démontré une grande déformation élastique très uniforme d’environ 7,5% de déformation sur toute la section de jauge de l’éprouvette, plutôt que de se déformer à une zone localisée en flexion. Et ils ont retrouvé leur forme d’origine après le déchargement.

    En optimisant davantage la géométrie de l’échantillon à l’aide de la norme ASTM (American Society for Testing and Materials), ils ont atteint une contrainte de traction uniforme maximale allant jusqu’à 9,7%, qui dépassait même la valeur locale maximale de l’étude de 2018, et était proche de la valeur théorique. limite élastique du diamant. Plus important encore, pour démontrer le concept de dispositif de diamant tendu, l’équipe a également réalisé une déformation élastique de matrices de diamants microfabriqués.

    Réglage du bandgap par des tensions élastiques

    L’équipe a ensuite effectué des calculs de théorie fonctionnelle de la densité (DFT) pour estimer l’impact de la déformation élastique de 0 à 12% sur les propriétés électroniques du diamant. Les résultats de la simulation ont indiqué que la bande interdite du diamant diminuait généralement à mesure que la contrainte de traction augmentait, le taux de réduction de bande interdite le plus élevé passant d’environ 5 eV à 3 eV à une déformation d’environ 9% le long d’une orientation cristalline spécifique. L’équipe a effectué une analyse par spectroscopie de perte d’énergie électronique sur un échantillon de diamant précontraint et a vérifié cette tendance à la baisse de la bande interdite.

    Les résultats de leurs calculs ont également montré que, de manière intéressante, la bande interdite pouvait passer d’indirecte à directe avec des déformations de traction supérieures à 9% le long d’une autre orientation cristalline. La bande interdite directe dans le semi-conducteur signifie qu’un électron peut émettre directement un photon, permettant de nombreuses applications optoélectroniques avec un rendement plus élevé.

    Ces découvertes sont une première étape dans la réalisation de l’ingénierie des déformations élastiques profondes des diamants microfabriqués. Par une approche nanomécanique, l’équipe a démontré que la structure de la bande du diamant peut être modifiée et, plus important encore, ces changements peuvent être continus et réversibles, permettant différentes applications, des systèmes micro / nanoélectromécaniques (MEMS / NEMS), des transistors à déformation, au roman. technologies optoélectroniques et quantiques. “Je crois qu’une nouvelle ère pour le diamant est devant nous”, a déclaré le Dr Lu.

    La recherche à CityU a été financée par le Hong Kong Research Grants Council et la National Natural Science Foundation of China.

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