L'étirement des diamants microfabriqués ouvre la voie à des applications dans la microélectronique de nouvelle génération. Crédit :Dang Chaoqun / Université de la ville de Hong Kong
Le diamant est le matériau le plus dur dans la nature. Mais parmi de nombreuses attentes, il a également un grand potentiel en tant qu'excellent matériel électronique. Une équipe de recherche conjointe dirigée par la City University of Hong Kong (CityU) a démontré pour la première fois la grande, déformation élastique en traction uniforme de matrices de diamants microfabriqués grâce à l'approche nanomécanique. Leurs découvertes ont montré le potentiel des diamants tendus comme candidats de choix pour les dispositifs fonctionnels avancés en microélectronique, photonique, et les 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 chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et du Harbin Institute of Technology (HIT). Leurs découvertes ont été récemment publiées dans la prestigieuse revue scientifique Science , intitulé "Atteindre une grande élasticité de traction uniforme dans le diamant microfabriqué".
"C'est la première fois que l'on montre le très grand, élasticité uniforme du diamant par des expériences de traction. Nos résultats démontrent la possibilité de développer des dispositifs électroniques par « l'ingénierie des contraintes élastiques profondes » de structures en diamant microfabriquées, " a déclaré le Dr Lu.
Diamant :"Mont Everest" de matériel électronique
Bien connu pour sa dureté, les applications industrielles des diamants sont généralement la coupe, forage, ou broyage. Mais le diamant est aussi considéré comme un matériau électronique et photonique performant du fait de sa conductivité thermique ultra-élevée, mobilité exceptionnelle des porteurs de charge électrique, haute résistance à la rupture et bande interdite ultra-large. La bande interdite est une propriété clé dans les semi-conducteurs, et la large bande interdite permet le fonctionnement d'appareils haute puissance ou haute fréquence. "C'est pourquoi le diamant peut être considéré comme le 'mont Everest' des matériaux électroniques, possédant toutes ces excellentes propriétés, " dit le Dr Lu.
Cependant, la large bande interdite et la structure cristalline serrée du diamant rendent difficile le "dopage", une façon 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 la "strain engineering", c'est-à-dire appliquer une très grande contrainte de réseau, pour modifier la structure de la bande électronique et les propriétés fonctionnelles associées. Mais cela 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, étonnamment, le diamant nanométrique peut être plié de manière élastique avec une grande contrainte locale inattendue. Cette découverte suggère que le changement des propriétés physiques du diamant par l'ingénierie des déformations élastiques peut être possible. Basé sur ceci, la dernière étude a montré comment ce phénomène peut être utilisé pour développer des dispositifs en diamant fonctionnels.
Illustration de la déformation en traction d'échantillons de ponts en diamant microfabriqués. Crédit :Dang Chaoqun / Université de la ville de Hong Kong
Tension de traction uniforme à travers l'échantillon
L'équipe a d'abord microfabriqué des échantillons de diamant monocristallin à partir de monocristaux 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 l'image :Tension de traction des ponts en diamant). Les ponts de diamant ont ensuite été étirés uniaxialement de manière bien contrôlée dans un microscope électronique. Sous cycles de chargement-déchargement continus et contrôlables d'essais de traction quantitatifs, les ponts de diamant ont démontré une très uniforme, grande déformation élastique d'environ 7,5% de déformation sur toute la section de jauge de l'éprouvette, plutôt que de se déformer dans 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 de l'American Society for Testing and Materials (ASTM), ils ont atteint une contrainte de traction uniforme maximale allant jusqu'à 9,7%, qui a même dépassé la valeur locale maximale de l'étude 2018, et était proche de la limite élastique théorique du diamant. Plus important, pour démontrer le concept de dispositif de diamant tendu, l'équipe a également réalisé une déformation élastique de matrices de diamants microfabriqués.
Réglage de la bande interdite par des contraintes 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, avec le plus grand taux de réduction de bande interdite passant d'environ 5 eV à 3 eV à environ 9 % de déformation le long d'une orientation cristalline spécifique. L'équipe a effectué une analyse par spectroscopie de perte d'énergie des électrons 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 façon intéressante, la bande interdite pourrait 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 un 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 de déformation élastique profonde des diamants microfabriqués. Par approche nanomécanique, l'équipe a démontré que la structure de la bande du diamant peut être modifiée, et plus important, ces changements peuvent être continus et réversibles, permettant différentes applications, à partir de systèmes micro/nanoélectromécaniques (MEMS/NEMS), transistors à ingénierie de contrainte, aux nouvelles technologies optoélectroniques et quantiques. "Je crois qu'une nouvelle ère pour le diamant est devant nous, " a déclaré le Dr Lu.
