近日，香港大学（HKU）机械工程系陆洋教授团队在金刚石、硅等共价半导体的超大弹性研究方面取得新进展。团队利用原位高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和原位4D-STEM，在原子尺度直接观察材料深度弹性变形过程，揭示了超大弹性的微观物理本质。相关成果已发表于《Physical Review Letters》。

       长期以来，硅和金刚石等共价晶体通常被认为“坚硬而脆”，在宏观尺度受到拉伸后容易发生断裂。但陆洋团队此前的系列研究已经证明，当材料尺寸缩小至微纳尺度后，其弹性极限可以显著提升。2016年，团队在《Science Advances》报道，单晶硅纳米线可反复承受超过10%的弹性应变，部分样品达到约16%。

        2018年，团队进一步参与《Science》论文《Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond》的研究，发现纳米尺度金刚石可以承受接近9%的超大弹性变形，突破了传统金刚石“极难形变”的认识。

       2021年，陆洋团队又在《Science》报道微加工单晶金刚石微桥的均匀拉伸，实现了样品范围内的大幅弹性应变。研究表明，深度弹性应变能够显著改变金刚石能带结构，为利用机械应变调控其电子、光学及量子性质提供了实验基础。

       不过，一个关键问题始终没有得到直接回答：金刚石和硅为何能够实现如此巨大的可逆弹性变形？这种变形究竟来自晶格本身的均匀拉伸，还是伴随着缺陷形成、原子重排甚至相变？

       此次研究正是针对这一问题展开。团队制备了单晶硅和单晶金刚石微桥，并沿特定晶向进行单轴拉伸，同时借助原位HRTEM实时追踪原子坐标变化，再利用4D-STEM获得整个样品范围内的晶格应变分布。

       实验结果显示，金刚石和硅的超大拉伸应变主要来自可逆的原子晶格位移，而非扩展缺陷或相变。在整个样品范围内，金刚石最高实现约8.9%的均匀弹性晶格延伸，单晶硅则达到约11.3%。这意味着此前观察到的超大弹性并非某种局部结构重排，而是真正意义上的深度晶格弹性变形。

       更重要的是，团队进一步建立了宏观机械应变与微观晶格应变之间的定量关系，并通过应变固定的硅器件结合单色化电子能量损失谱成像，验证了均匀弹性应变能够引起硅带隙降低。研究由此为“深度弹性应变工程”（Deep Elastic Strain Engineering，DESE）从实验现象走向定量设计提供了关键依据。

       对于金刚石半导体而言，这一方向尤其值得关注。金刚石具有超宽禁带、高载流子迁移率、高热导率和高击穿场等优势，但其超宽带隙也限制了电子与光电应用。陆洋团队此前研究表明，通过深度弹性应变，可大幅调控金刚石能带结构，理论上甚至有望推动间接带隙向直接带隙转变。

       从研究路线来看，陆洋团队正在逐步形成一条较为清晰的技术路径：先实现微纳尺度超大弹性，再利用应变调控材料能带和物性，最终探索新型半导体、光电及量子器件。近期团队还将深度弹性应变工程拓展至GaN微桥，用于连续、可逆调控带隙和光电性能，进一步显示出这一方法从金刚石、硅向宽禁带半导体拓展的潜力。

       值得注意的是，此次《Physical Review Letters》论文题为《Quantifying Lattice Strains in Elastically Deformed Covalent Crystals》，第一作者为香港大学博士生李嘉怡，通讯作者为陆洋教授和王贺毅博士。论文于2026年6月11日正式发表。

       2023年，陆洋教授参与创办钻晶圆（Diamontronics），公司依托香港大学及香港科学园创新生态，重点推进人工金刚石晶圆制造、金刚石键合晶圆以及芯片级热管理技术。香港大学相关资料显示，钻晶圆的核心技术方向包括利用金刚石作为芯片级散热材料，以降低芯片温度并提升器件性能，目标应用涵盖AI、新能源汽车和无线通信等领域。

       进入2026年，钻晶圆进一步完成概念验证轮融资，由乐汇投资领投。本轮资金将重点用于金刚石芯片级键合晶圆的工艺验证，以及原子级超精密抛光设备的自主研发。公司官网目前进一步将技术路线聚焦于GaN-on-Diamond键合、金刚石抛光和晶圆级热集成，并面向AI服务器、5G/6G、航空航天及功率电子等市场推进应用。

转载自DT半导体