Les chercheurs ont démontré que les diamants peuvent être étirés uniformément à l’échelle microscopique, ajustant ainsi considérablement leurs propriétés électroniques, offrant ainsi un potentiel de transformation dans les technologies électroniques et quantiques avancées.
Le diamant est le matériau le plus dur de la nature. Mais malgré de nombreuses attentes, il présente également un grand potentiel en tant qu'excellent matériau électronique. Une équipe de recherche commune dirigée par l'Université de la ville de Hong Kong (CityU) a démontré pour la première fois la déformation élastique en traction uniforme et importante de matrices de diamants microfabriquées grâce à l'approche nanomécanique. Leurs découvertes ont montré le potentiel des diamants tendus en tant que candidats privilégiés pour des dispositifs fonctionnels avancés en microélectronique, en photonique et en 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 (AVEC) et l'Institut de technologie de Harbin (HIT). Leurs découvertes ont été récemment publiées dans la prestigieuse revue scientifiqueScience, intitulé « Atteindre une grande élasticité de traction uniforme dans le diamant microfabriqué ».
"C'est la première fois que des expériences de traction démontrent l'élasticité extrêmement grande et uniforme du diamant. Nos résultats démontrent la possibilité de développer des dispositifs électroniques grâce à une" ingénierie de déformation élastique profonde "de structures de diamant microfabriquées", a déclaré le Dr Lu.
Diamant : « Mont Everest » des matériaux électroniques
Bien connu pour sa dureté, les applications industrielles du diamant sont généralement la coupe, le perçage ou le meulage. Mais le diamant est également considéré comme un matériau électronique et photonique de haute performance en raison de sa conductivité thermique ultra-élevée, de sa mobilité exceptionnelle des porteurs de charge électrique, de sa résistance élevée aux pannes et de sa bande interdite ultra-large. La bande interdite est une propriété clé danssemi-conducteurset une 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", a déclaré le Dr Lu.
Cependant, la large bande interdite et la structure cristalline étroite du diamant rendent difficile le « dopage », un moyen courant 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 consiste à recourir à « l’ingénierie des déformations », c’est-à-dire à appliquer une très grande déformation du réseau, afin de 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, de manière surprenante,à l'échelle nanométriquele diamant peut être plié élastiquement avec une contrainte locale importante et inattendue. Cette découverte suggère que la modification des propriétés physiques du diamant grâce à l'ingénierie de déformation élastique est possible. Sur cette base, la dernière étude a montré comment ce phénomène peut être utilisé pour développer des dispositifs fonctionnels en diamant.
Déformation de traction uniforme sur l'ensemble de l'échantillon
L’équipe a d’abord microfabriqué des échantillons de diamant monocristallin à partir de monocristaux de diamant solide. Les échantillons avaient la forme d’un pont – environ un micromètre de long et 300 nanomètres de large, avec les deux extrémités plus larges pour la préhension (voir Fig. 2). Les ponts de diamant ont ensuite été étirés uniaxialement de manière bien contrôlée au microscope électronique. Sous des cycles de chargement-déchargement continus et contrôlables d'essais de traction quantitatifs, les ponts en diamant ont démontré une déformation élastique très uniforme et importante 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 originale après 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 déformation de traction uniforme maximale allant jusqu'à 9,7 %, qui a même dépassé la valeur locale maximale de l'étude de 2018 et était proche de la limite élastique théorique du diamant. Plus important encore, pour démontrer le concept du dispositif en diamant contraint, l’équipe a également réalisé une contrainte élastique de matrices de diamant microfabriquées.
Réglage de la bande interdite par des déformations 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 déformation en traction augmentait, le taux de réduction de la bande interdite le plus important 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 électronique sur un échantillon de diamant pré-contraint et a vérifié cette tendance à la baisse de la bande interdite.
Les résultats de leurs calculs ont également montré que, fait intéressant, 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 un semi-conducteur signifie qu'un électron peut émettre directement unphoton, permettant de nombreuses applications optoélectroniques avec un rendement plus élevé.
Ces découvertes constituent une première étape vers la réalisation d’une ingénierie de déformation élastique profonde des diamants microfabriqués. Par une approche nanomécanique, l'équipe a démontré que la structure de la bande de diamant peut être modifiée et, plus important encore, que ces changements peuvent être continus et réversibles, permettant différentes applications, depuis les systèmes micro/nanoélectromécaniques (MEMS/NEMS), les transistors à contrainte mécanique, jusqu'aux nouvelles technologies optoélectroniques et quantiques. « Je crois qu'une nouvelle ère pour le diamant est devant nous », a déclaré le Dr Lu.
Référence : « Atteindre une grande élasticité de traction uniforme dans le diamant microfabriqué » par Chaoqun Dang, Jyh-Pin Chou, Bing Dai, Chang-Ti Chou, Yang Yang, Rong Fan, Weitong Lin, Fanling Meng, Alice Hu, Jiaqi Zhu, Jiecai Han, Andrew M. Minor, Ju Li et Yang Lu, 1er janvier 2021,Science.
DOI : 10.1126/science.abc4174
Le Dr Lu, le Dr Alice Hu, qui est également du MNE à CityU, le professeur Li Ju du MIT et le professeur Zhu Jiaqi du HIT sont les auteurs correspondants de l'article. Les co-premiers auteurs sont Dang Chaoqun, titulaire d'un doctorat, et le Dr Chou Jyh-Pin, ancien boursier postdoctoral de MNE à CityU, le Dr Dai Bing de HIT et Chou Chang-Ti de l'Université nationale Chiao Tung. Le Dr Fan Rong et Lin Weitong de CityU font également partie de l'équipe. D'autres chercheurs collaborateurs proviennent du Lawrence Berkeley National Laboratory,Université de Californie, Berkeleyet l'Université des sciences et technologies du Sud.
La recherche à CityU a été financée par le Hong Kong Research Grants Council et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine.
Ne manquez jamais une percée :
Suivez-nous suretGoogle Actualités.
Partager.
