【TraNews全球新聞記者蔡聰挺/新竹報導】
國立交通大學材料系碩士班周常棣同學在指導教授羅友杰支持下，與彰化師範大學物理系周至品助理教授加入國際研究團隊，偕同香港城市大學(CityU)、麻省理工學院(MIT)、哈爾濱工業大學(HIT)等研究人員，透過頂尖的人工鑽石合成與切割技術，實現均勻拉伸奈米等級鑽石，並且利用應變工程改變鑽石材料性質，讓結構穩定的鑽石增添半導體應用的可能性。
歷經兩年努力，其突破性研究成果「實現微加工鑽石的超大均勻拉伸彈性(Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond)」2021年1月於國際頂尖期刊《Science》發表。周同學在交大修讀學士期間，學習第一原理密度泛函理論(DFT)計算模擬，以量子力學為基礎的多電子結構計算方法，系統性分析鑽石在有效拉伸下的物理變化，提供理論計算之觀點，並能與實驗相互驗證，他所提供的DFT計算結果能夠很好的解釋實驗上的觀察，近一步提供良好的理論預測，使團隊研究方向維持精準與合理性兼具，傑出的貢獻使周同學列為論文的共同第一作者。
鑽石擁有傑出的材料特性，包括硬度、強度、導熱性、穩定性與透光性，但其電子能隙過大的問題導致無法廣泛應用於半導體設備中。一般改變能隙的加工方法為摻雜雜質，而研究團隊選擇逆向思考，以對晶格施加外力的應變工程方式改變鑽石材料特性，鑽石的超高硬度也為此研究添上超高難度。
此研究成功對奈米單晶鑽石實現均勻且不同晶格方向的彈性拉伸，並逼近鑽石的理想強度，鑽石樣品呈現高達約7.5%的形變量。團隊參考美國材料試驗學會標準，進一步優化樣品的幾何形狀，可使其達到9.7％的最大均勻拉伸應變。
為了評估如此巨大的彈性應變對鑽石電子性能的影響，團隊透過第一原理密度泛函理論計算模擬，預測鑽石在拉伸後的材料電子特性。模擬結果指出，依循特定的晶格方向施加應力，9%的應變可以將鑽石能隙從5電子伏特下降至3電子伏特，使寬能隙材料鑽石轉變成可以廣泛應用的半導體材料，鑽石能隙下降的模擬預測也在實驗中被應證。此外，不同方向的9%應力也可以讓原本為間接能隙的鑽石，改變為直接能隙，展示了鑽石在應變工程下的材料特性，以及在光子學、微電子學與量子資訊技術中的巨大潛力。
這項鑽石拉伸應變研究未來將由交大團隊負責完整計算工作，並由香港城市大學團隊協助，期待更進一步的發展與突破。
***照片由交通大學提供
