Venytettyä timanttia elektroniikalle

Mikrovalmistettujen timanttien venyttäminen avaa tien uusille sovelluksille mikroelektroniikassa.

(11.1.2021) Hongkongin kaupungin yliopiston (CityU) johtama tutkimusryhmä on osoittanut mikrovalmistettujen timanttiryhmien nanomekaanisen venyttämisen. Heidän havaintonsa osoittavat venytetyn timanttien potentiaalin uudenlaisille laitteille mikroelektroniikassa, fotoniikassa ja kvanttitietotekniikassa.

”Tämä on ensimmäinen kerta, kun timantin erittäin suuri, tasainen joustavuus osoitetaan vetokokeilla. Tuloksemme osoittavat mahdollisuuden kehittää elektronisia laitteita mikrovalmistettujen rakenteiden "syvän elastisen venytystekniikan" avulla", sanoo tutkimusta johtanut professori Lu Yang.

Timanttia pidetään erittäin suorituskykyisenä elektronisena ja fotonisena materiaalina sen erittäin korkean lämmönjohtavuuden, poikkeuksellisen sähkövarauksen liikkuvuuden, suuren rikkoutumislujuuden ja erittäin leveän kaistavälin vuoksi.

Timantin suuri kaistaväli ja tiukka kiderakenne vaikeuttavat sen seostusta ja hilarakenteen venymäsuunnittelua sille on pidetty tähän asti mahdottomana. Venymäsuunnittelulla eli erittäin suurella hilajännityksellä voidaan muuttaa materiaalin elektronista kaistarakennetta ja siihen liittyviä toiminnallisia ominaisuuksia.

Jo aiemmin on havaittu, että nanokokoinen timantti voi taipua joustavasti. Tämä löytö on johdattanut nyt siihen, että timantin fysikaalisten ominaisuuksien muutos voi olla mahdollista venytystekniikan avulla.

Tutkijat venyttivät timanttinäytteitään yksiaksiaalisesti hyvin hallitulla tavalla elektronimikroskoopilla. Timantit osoittivat erittäin tasaisen, noin 7,5 %:n venymämuodonmuutoksen ja ne palautuivat alkuperäiseen muotoon rasituksen purkamisen jälkeen. Lisäksi ryhmä toteutti myös mikrokomposiittisten timanttiryhmän joustavan venytyksen.

Tutkijoiden laskennalliset simulaatiot ja analyysit osoittivat, että timantin kaistaväli pieneni yleensä vetolujuuden kasvaessa. Lisäksi tulokset osoittivat, että kaistanleveys voi muuttua epäsuorasta suoraksi yli 9 %:n suuruisilla venytyksillä pitkin toista kiteistä suuntaa. Suora kaistanleveys puolijohteessa tarkoittaa, että elektroni voi suoraan emittoida fotonia, mikä sallii monet optoelektroniset sovellukset hyvällä tehokkuudella.

Tutkijatiimin mukaan jatkuvat ja palautuvat muutokset mahdollistaisivat myös erilaiset sovellukset mikro/nanoelektromekaanisista järjestelmistä (MEMS/NEMS), venytysmuokatuista transistoreista uusiin optoelektronisiin ja kvanttitekniikoihin asti.

Aiheesta aiemmin:

Timantin vikakohdasta kvanttimuisti

Uusi konsepti tehomosfeteille

Timantti kelpaa lämmönjohteeksi