实现弹性拉伸金刚石，为新一代微电子科技开拓新方向！走近青年PI党超群的硬核世界！

金刚石，除了作为宝石饰品外，也是一种独特的半导体材料，凭借其超宽带隙、高介电击穿强度、高载流子迁移率等特点，被业界誉为终极半导体，为开发服役于高温、高压等极端环境的新一代半导体器件奠定了物质基础。

掺杂是调控半导体导电性的常用方法。然而，作为这一行业内公认的顶尖难题——金刚石的高效掺杂问题，仍是制约其实商业化的瓶颈。应变工程作为调控半导体导电性的另一种途径，是通过对材料施加晶格应变，来改变材料的电子能带结构，从而调控其载流子迁移率。不过，金刚石因具有超高硬度和脆性而缺少成功的实践。

浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）“科创百人计划”研究员党超群，长期从事高硬度材料的微纳米力学研究。她基于微纳米力学技术，实现了金刚石高达10%的均匀弹性应变，发现了通过应变工程调控金刚石电子能带结构的规律，为推进宽禁带半导体材料的微电子器件应用开创了一种全新的思路。该成果有望解决宽禁带半导体材料电子结构难以调控的难题，为研制新型电子器件带来了全新的可能，在光子学、电子学和量子信息技术方面拥有巨大应用潜力。

凭借这一开创性的成果，党超群成为2022年度《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国入选者之一。近日，党超群还入选了杭州市顶尖人才！

接下来，让我们一起

走近这位女性科研工作者

听一听她以“柔”克“刚”的故事！

1

实现金刚石弹性拉伸 打破传统认知 

金刚石，通常被誉为电子材料领域的“珠穆朗玛峰”，但囿于其本身的超高硬度和脆性，想要通过施加应变的方法来改变它的带隙，显然非常困难，不少科学家也因此望而“怯步”。

那么，有什么办法可以解决这个难题？党超群和团队采用基于大尺寸单晶金刚石的微加工技术，在室温条件下，沿不同的晶体学方向，对长度约1-2微米，宽度约100-300纳米的单晶金刚石微桥结构进行了原位力学加载。简单来说，就是把金刚石的尺寸减小到头发丝的千分之一以下，使其摇身一变，可以像橡皮筋一样发生可控的均匀弹性变形。

图丨对金刚石微桥和阵列样品进行拉伸应变测试的示意图

实验发现，金刚石在单轴拉伸条件下，实现了将近10%的均匀弹性应变，这一现象也改变了人们传统上对于金刚石的认知。

此外，党超群和团队还基于实验中施加的拉伸应变进行了理论计算，结果表示，随着应变的增大，金刚石的带隙均表现出减小的趋势。这种带隙的变化会让金刚石从超宽带隙半导体转为普通的宽禁带半导体，与碳化硅半导体接近。

图丨实现金刚石整体均匀弹性拉伸应变达 7.5%

（视频来源：Science）

为了进一步验证计算结果，党超群和团队又制备了一个金刚石预应变的样品，通过对弯曲的两端进行固定，以固定它的应变。“我们测量了金刚石不同应变区域的带隙，发现它的变化与计算结果相吻合。”党超群说。

图丨应变金刚石器件的动态概念图

他们在超大、均匀的弹性应变基础上，进一步实现了微米级金刚石阵列的拉伸应变，而这也预示了“应变金刚石”器件概念的可行性。

2021年1月1日，相关成果以《实现微加工金刚石的超大均匀拉伸弹性》（Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond）为题发表在Science上，党超群为第一作者。

2

“希望常现，总在心灰意冷之时”

在党超群看来，从事基础科研的过程中，面临的最大挑战就是坚持。“往小了讲，当我们面对无数失败的结果时，依然不会放弃；往大了讲，即便遭遇各种生活、工作上的压力和不如意，依然能够拥有坚持初心的勇气。”党超群说，“记得在一次学术报告中，有一位德高望重的科学家给我们介绍他的科研经历时分享了莎士比亚的一句名言，‘期望落空，总在众望所归之处；希望常现，总在心灰意冷之时’。”

她举例道，去年自己曾尝试开发一种具有超高难度的纳米力学实验方法，历经了数月都未曾取得进展。不过，即便实验难度很大，而且没有经验可循，她仍然没有轻言放弃，一直在不断尝试。“后来我终于做出来了，团队的其他人都觉得不可思议，认为这是天花板级别的难度。那时，我再度回想起这句话，才觉得它真的能够非常好地反映科研工作者的长期状态。”她说。

回顾过去，党超群表示，自己一路走来，做了许多人生的选择题。但因为她始终坚持自己才是核心的理念，所以不管选择哪条道路，她都努力做最好的自己，也坚信自己做的每一个选择都是最好的。

3

扎根科创，探索硬核科研之路

在科创中心原子精度制造创新工坊，党超群正以金刚石的基础研究为主，围绕金刚石微纳米力学自主研发原位纳米力学测试仪器，创新发展多维信息融合的纳米力学实验方法，探索金刚石基础研究和应用研究的新篇章。

党超群认为，要想推动金刚石进入大规模微电子产业应用，仍然还面临着挑战与机遇并存的局面。也正因为目前缺乏核心技术的局面尚未改观，眼下，无论从国家战略层面还是地方经济发展而言，半导体制造业更是被放到了前所未有的重要位置。

党超群说，科创中心是一个全新的科技创新改革试验区，处处都充满生机和可能，有组织科研在这里被频频提及，大装置投入、大兵团作战、大项目研发，所有科研工作者都可以围绕国家重大需求，大胆尝试、开拓创新，这对发展相关产业核心技术而言都是千载难逢的利好。

“未来，希望能有更多不同领域、不同背景的科研工作者携手开展金刚石宽禁带半导体的应用研究，发挥各自的优势让这种极具价值的尖端电子材料早日应用于高频率、高功率、低功耗的器件中，以产生更强的算力，服务于更高效的电子产品，非常期待金刚石半导体新时代的到来。”党超群说。

本文部分内容源自络绎科学

图片：党超群

本文编辑：孔晓睿

推荐阅读

点“在看”，送我一朵小黄花呀