金刚石以其硬度而闻名，其工业应用通常是切割，钻孔或磨削。但它不仅是自然界中最坚硬的的材料，它还出人意料同时拥有超高的导热性、介电击穿强度、载流子迁移率以及超宽的带隙。得益于这些优异的特性，金刚石被称为电子材料的“珠穆拉玛峰”，并且在光电应用的方向上被寄予厚望。但也是因为超大的能带间隙和紧密的晶体结构，金刚石难以“掺杂”（调节半导体电子特性的常用方法），想要“登顶珠峰”——将金刚石在光电器件中工业化应用仍是困难重重。对于难以掺杂的材料，有一种潜在的解决方法是通过施加巨大的晶格应变，以改变电子能带结构和相关性质。但是因为金刚石极高的硬度，这种方法一度被认为是无效的。

直到2018年，香港城市大学陆洋博士和他的合作者首次发现，纳米级的金刚石可以发生超大的弹性应变，局部拉伸弹性应变达到9%甚至更高。这一惊人发现表明，通过弹性应变工程（ESE）改变金刚石的物理性质是可能的。

2020年1月1日，香港城市大学陆洋教授、Alice Hu团队和哈尔滨工业大学朱嘉琦教授、麻省理工学院李巨教授合作，首次通过纳米力学方法，展示了微晶金刚石阵列均匀的深弹性应变。超大的、高度可控的弹性应变可以从根本上改变金刚石的能带结构，通过计算带隙减少多达2eV。这项发现表明通过精细加工钻石结构的深度弹性应变工程，使得可拉伸金刚石有望用于下一代微电子学、光子学和量子信息技术。该工作以“Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond”发表在《Science》上。

均匀的拉伸应变

Figure1. 沿[101]方向的装卸拉伸实验

该团队首先从固体金刚石单晶中细微加工了单晶金刚石样品。这些样品呈桥状，大约一微米长，300纳米宽，两端更宽，便于夹持。在连续可控加卸载的定量拉伸试验循环下，金刚石桥在整个截面上表现出高度均匀的超大弹性变形（约7.5%的应变），而不是在弯曲的局部区域变形。卸载后，它们完全恢复了原来的形状。通过使用美国材料试验学会（ASTM）标准进一步优化样品几何形状，最终获得了高达9.7％的最大均匀拉伸应变，甚至超过了2018年研究中的最大局部值，并接近金刚石理论上的弹性极限。为了演示应变金刚石作为器件的可行性，作者还微加工了金刚石桥阵列，阵列在均匀的应变到5.8%后也能完全恢复为最初的形状，通过有限元分析也确认了金刚石阵列中的均匀弹性应变分布。

通过弹性应变调整带隙

Figure 2.[100]，[101]和[111]取向金刚石的统计拉伸结果

作者汇总了[100]，[101]和[111]取向金刚石样品的所有抗拉强度的实验数据，实验证明样品在3个不同方向上均能达到6.5 ~ 8.2%的样品宽弹性应变，且恢复完全。随着实验接近10％的均匀弹性应变，作者进行了密度泛函计算（DFT），以评估从0到12%的弹性应变对于金刚石的电子特性的影响。模拟结果表明，金刚石的带隙一般随着拉伸应变的增加而减小，在9%左右的应变下，沿特定晶体取向的禁带宽度最多可以从5 eV左右减小到3 eV左右。作者还对样品进行了电子能量损失光谱分析，进一步证实了这种带隙减小的趋势。

大而均匀的弹性应变应该驱动带隙的变化，与其他两个方向相比，沿[101]方向的应变会引起更大的带隙减小。经过更深入的计算，沿[111]方向的拉伸应变大于9％时，间接带隙会转变为直接带隙，这意味着电子跃迁时不需要释放或吸收声子，使用这种材料的光电器件会有更高的效率。

总结

这些发现是实现微加工金刚石深度弹性应变工程的早期步骤。通过纳米力学方法，作者证明了金刚石的能带结构可以改变，更重要的是，这些改变可以是连续和可逆的。微米尺寸的单晶金刚石桥结构非常适合机电系统(MEMS/NEMS)、应变工程晶体管，以及新颖的光电和量子器件阵列的规模。陆洋教授说:“我相信钻石的新时代就在我们面前。”