Peregangan berlian untuk mikroelektronika generasi berikutnya – ScienceDaily

Dapatkan promo member baru Pengeluaran SGP 2020 – 2021.

Berlian adalah bahan yang paling keras di alam. Namun diluar banyak ekspektasi, ternyata juga memiliki potensi besar sebagai material elektronik yang sangat baik. Sebuah tim peneliti gabungan yang dipimpin oleh City University of Hong Kong (CityU) telah mendemonstrasikan untuk pertama kalinya regangan elastis tarik yang besar dan seragam dari susunan berlian mikrofabrikasi melalui pendekatan nanomekanis. Temuan mereka telah menunjukkan potensi berlian tegang sebagai kandidat utama untuk perangkat fungsional canggih di mikroelektronika, fotonik, dan teknologi informasi kuantum.

Penelitian ini dipimpin bersama oleh Dr Lu Yang, Associate Professor di Departemen Teknik Mesin (MNE) di CityU dan peneliti dari Massachusetts Institute of Technology (MIT) dan Harbin Institute of Technology (HIT). Temuan mereka baru-baru ini dipublikasikan di jurnal ilmiah Ilmu, berjudul “Mencapai elastisitas tarik seragam yang besar pada berlian mikrofabrikasi.”

“Ini adalah pertama kalinya menunjukkan elastisitas berlian yang sangat besar dan seragam melalui eksperimen tarik. Temuan kami menunjukkan kemungkinan pengembangan perangkat elektronik melalui ‘rekayasa regangan elastis dalam’ struktur berlian mikrofabrikasi,” kata Dr Lu.

Berlian: “Gunung Everest” dari materi elektronik

Terkenal karena kekerasannya, aplikasi berlian dalam industri biasanya memotong, mengebor, atau menggiling. Tetapi berlian juga dianggap sebagai bahan elektronik dan fotonik berkinerja tinggi karena konduktivitas termalnya yang sangat tinggi, mobilitas pembawa muatan listrik yang luar biasa, kekuatan tembus yang tinggi, dan celah pita yang sangat lebar. Bandgap adalah properti utama dalam semi-konduktor, dan bandgap yang lebar memungkinkan pengoperasian perangkat berdaya tinggi atau frekuensi tinggi. “Itulah mengapa berlian dapat dianggap sebagai ‘Gunung Everest’ dari material elektronik, memiliki semua sifat yang sangat baik ini,” kata Dr Lu.

Namun, celah pita yang besar dan struktur kristal yang ketat pada berlian membuatnya sulit untuk “mengotori”, cara umum untuk memodulasi sifat elektronik semi-konduktor selama produksi, sehingga menghambat aplikasi industri berlian dalam perangkat elektronik dan optoelektronik. Alternatif potensial adalah dengan “rekayasa regangan,” yaitu menerapkan regangan kisi yang sangat besar, untuk mengubah struktur pita elektronik dan sifat fungsional terkait. Tapi itu dianggap “tidak mungkin” untuk berlian karena kekerasannya yang sangat tinggi.

Kemudian pada tahun 2018, Dr Lu dan kolaboratornya menemukan bahwa, secara mengejutkan, berlian berskala nano dapat dibengkokkan secara elastis dengan strain lokal besar yang tidak terduga. Penemuan ini menunjukkan bahwa perubahan sifat fisik pada intan melalui rekayasa regangan elastis dapat dimungkinkan. Berdasarkan hal tersebut, studi terbaru menunjukkan bagaimana fenomena ini dapat dimanfaatkan untuk mengembangkan perangkat intan fungsional.

Peregangan tarik yang seragam di seluruh sampel

Tim pertama kali membuat sampel berlian kristal tunggal mikrofabrikasi dari kristal tunggal berlian padat. Sampel berbentuk seperti jembatan – panjangnya sekitar satu mikrometer dan lebar 300 nanometer, dengan kedua ujungnya lebih lebar untuk digenggam (Lihat gambar: Tarik tarik jembatan berlian). Jembatan berlian kemudian diregangkan secara uniaksial dengan cara yang terkontrol dengan baik di dalam mikroskop elektron. Di bawah siklus bongkar muat uji tarik kuantitatif yang berkelanjutan dan terkendali, jembatan berlian menunjukkan deformasi elastis besar yang sangat seragam sekitar 7,5% regangan di seluruh bagian pengukur spesimen, daripada berubah bentuk di area terlokalisasi dalam pembengkokan. Dan mereka memulihkan bentuk aslinya setelah dibongkar.

Dengan lebih mengoptimalkan geometri sampel menggunakan standar American Society for Testing and Materials (ASTM), mereka mencapai regangan tarik seragam maksimum hingga 9,7%, yang bahkan melampaui nilai lokal maksimum dalam studi 2018, dan mendekati teoretis. batas elastis berlian. Lebih penting lagi, untuk mendemonstrasikan konsep perangkat berlian yang dikencangkan, tim juga menyadari pengikatan elastis dari susunan berlian mikrofabrikasi.

Menyetel celah pita dengan regangan elastis

Tim kemudian melakukan perhitungan teori fungsional kerapatan (DFT) untuk memperkirakan dampak regangan elastis dari 0 hingga 12% pada properti elektronik berlian. Hasil simulasi menunjukkan bahwa celah pita intan secara umum menurun dengan meningkatnya regangan tarik, dengan laju pengurangan celah pita terbesar turun dari sekitar 5 eV menjadi 3 eV pada regangan sekitar 9% sepanjang orientasi kristal tertentu. Tim melakukan analisis spektroskopi kehilangan energi elektron pada sampel berlian yang telah diregangkan sebelumnya dan memverifikasi tren penurunan celah pita ini.

Hasil perhitungan mereka juga menunjukkan bahwa, menariknya, celah pita dapat berubah dari tidak langsung menjadi langsung dengan regangan tarik lebih besar dari 9% sepanjang orientasi kristal lainnya. Celah pita langsung dalam semi konduktor berarti elektron dapat langsung memancarkan foton, memungkinkan banyak aplikasi optoelektronik dengan efisiensi yang lebih tinggi.

Penemuan ini merupakan langkah awal dalam mencapai rekayasa regangan elastis yang dalam pada berlian mikrofabrikasi. Dengan pendekatan nanomekanis, tim menunjukkan bahwa struktur pita berlian dapat diubah, dan yang lebih penting, perubahan ini dapat terus menerus dan dapat dibalik, memungkinkan aplikasi yang berbeda, dari sistem mikro / nanoelektromekanis (MEMS / NEMS), transistor rekayasa regangan, hingga novel teknologi optoelektronik dan kuantum. “Saya yakin era baru berlian ada di depan kita,” kata Dr Lu.

Penelitian di CityU didanai oleh Hong Kong Research Grants Council dan National Natural Science Foundation of China.