港大研究發現共價半導體超大彈性本質分享到：
      香港新聞網8月20日電 香港大學20日公佈，工程學院機械工程系陸洋教授帶領的研究團隊近期取得突破性進展，成功揭示矽（硅，Si）和金剛石（鑽石）等共價半導體在微納尺度下展現超大彈性的微觀物理本質。這項發現為“深度彈性應變工程”提供了關鍵定量化指導，有望推動下一代電子、光電及量子器件發展。 儘管共價半導體的超大彈性備受科學界矚目，其底層的物理變形機制此前一直未被清晰闡明。團隊首次在原子尺度下直接觀察到單晶矽和金剛石在拉伸過程中的純晶格演化，並精準測量其晶格應變。這項研究成功構建了宏觀機械（力學）應變與微觀晶格應變的橋樑，為基於彈性應變工程的先進半導體器件設計奠定了堅實的物理基礎。
長期以來，宏觀塊體狀態下的共價晶體被普遍認為是“又硬又脆”的材料，在力學加載的過程中往往直接發生脆性斷裂。近年來，團隊首先在實驗上證明了矽、金剛石等共價半導體材料在微納米尺度下可以達到接近其理論彈性極限的超大彈性應變。團隊更發現這種極致的彈性變形能夠帶來顛覆性的物理性能，實現對其帶隙、光學等物理性質動態、連續且可逆的控制。然而，底層的變形機制一直尚未闡明：這種超大的可逆變形究竟是完全來自於原子晶格拉伸，還是來自於複雜的原子重排（如缺陷產生、相變或超彈性）？在此之前，科學界一直缺乏原子尺度的直接證據。 為了解開這一性質的本質，研究團隊採用了先進的原位拉伸高分辨透射電子顯微鏡（in situ HRTEM）和原位四維掃描透射電子顯微鏡（in situ 4D-STEM）技術。在室溫下，對微加工獲得的高質量單晶矽和單晶金剛石“微橋”結構沿着 [100] 和 [110] 方向進行了單軸拉伸測試。團隊不僅在原子高分辨率下實時追蹤了處於深度應變狀態下的原子坐標分佈，提取了原子分辨的晶格應變圖，還以納米空間分辨率和大視場成功繪製了兩種半導體晶體全樣品範圍的高精度彈性晶格應變圖。 研究發現，矽和金剛石的超大拉伸應變完全來源於可逆的原子晶格位移。實驗證實，在無任何延伸缺陷或相變發生的情況下，金剛石和矽的晶格可以分別實現高達 8.9% 和 11.3% 的全樣品均勻彈性拉伸。此外，團隊還通過設計基於矽的應變固定器件，利用單色電子能量損失譜的譜圖成像測量，證實了處於均勻彈性拉伸狀態下的矽，其帶隙實現了減小。 這項工作不僅在實驗層面首次直接解答了共價晶體超大彈性的物理本質，通過構建“宏觀機械（力學）應變”與“微觀晶格應變”的一一對應關係，更為人工智能和機器學習輔助的彈性應變器件設計提供了最準確的真實原子坐標數據。 陸教授指出，關於共價晶體超大彈性本質的這一發現，標誌著應變工程領域的一個基石。未來，想要設計性能更卓越的應變矽或金剛石微電子與光子學器件（如實現半導體到金屬的轉變、間接帶隙轉變為直接帶隙等凝聚態物理與材料領域的“聖杯”），可以完全依賴於這些純晶格演化的實驗數據規律。這一重大發現將為深度彈性應變工程提供最核心的量化指導，推動基於彈性應變工程的技術創新，對量子資訊、先進半導體和光子技術等未來的尖端領域產生深刻影響。（完） 【編輯：張明臻】
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