——访香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室主任陆洋 教授
近日，从香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室（Nano-Manufacturing Laboratory，NML)获悉，该实验室主任陆洋教授的微纳米力学研究课题组将迎来又一重要“干将”——毕业于英国布里斯托大学的杨丽民博士已加入实验室跟随陆洋教授从事博士后研究，在陆洋教授课题组继续其所专注的化学气相沉积法合成单晶金刚石及金刚石半导体科研工作。
杨丽民博士
金刚石集宽禁带、高击穿场强、高热导率和高电子迁移率等优点于一身，被越来越多科学家们视为“终极半导体”。作为该领域的先行者，香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室主任陆洋教授带领课题组，首次通过微纳米力学应用，创造性地将“应变工程”应用到微纳米尺度的金刚石，先后成功实现单晶金刚石纳米针的超大弹性弯曲应变（Science 2018）以及微加工金刚石微桥阵列的接近10%的超大均匀弹性拉伸应变(Science 2021)，并通过理论计算和初步实验结果验证了通过“弹性应变工程”深度调控金刚石禁带宽度和能带结构的可行性，为实现金刚石微电子和光电子器件提供了全新的一条技术路线和颠覆性解决方案，使金刚石技术的应用场景大幅增加，为金刚石半导体微纳制造赋能，成效卓著。我们本期对陆洋教授进行采访，零距离探讨金刚石半导体微纳制造的创新故事和话题。
“5G时代”半导体材料大PK，谁更优
信息化时代的脚步全面迈入5G，半导体技术尤其是其材料甄选，是决定5G信息应用成败的关键。在谈到半导体材料孰优孰劣时，陆教授表示：5G时代涌现的第三代半导体虽不是一项全新的技术，但在5G和电动车时代，第三代半导体明显呈现出第一代、第二代半导体无可比拟的优势，在抗高压、耐高温、能量损耗和能量密度等方面上功能显著。并且，相比于在摩尔定律的演进下不断追赶更小尺寸的芯片，第三代半导体器件完全可以采用现有的大尺寸器件加工平台完成。这是我国大陆目前适合发展的重要方向，另外，在第三代及新兴半导体上，中外研究水平和企业技术实力相对接近。
微加工单晶金刚石器件阵列示意图
据介绍，5G第三代半导体应用中可供选择的两种主要材料是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）。而具备更宽带隙的氧化镓（Ga2O3）、氮化铝（AlN）和金刚石又被称为第四代半导体。其中，金刚石因为其超硬的物理特性，被冠以“最硬最锋利的工业牙齿”的美誉。航空航天、国防军工以及光伏与电子信息等领域里的各种高难度材料加工难题，在它面前都可以迎刃而解。除此之外，金刚石还被业界公认为“终极半导体”，有专家们甚至表示“金刚石可能会是延续硅时代摩尔定律的明星材料”。
“应变工程”为金刚石半导体应用开新路
陆洋教授专门从事微纳米力学研究，自2012年从美国回到香港独立做科研开始，他在金刚石领域深入研究至今已经近10年，是金刚石半导体微纳米技术“高度沉浸者”。他表示：相比金属材料，半导体材料里有许多有趣的物理现象，因此我们的研究出发点不只是单纯地将材料变得更强更硬，而是希望通过微纳米力学作为一种调控手段来改变和促进半导体功能性质的应用。如今随着科技的飞速发展，人造金刚石的技术愈发成熟，成本越来越低，金刚石半导体将迎来新的发展，在“应变工程”的加持下，金刚石在微电子和光电技术的应用场景也大幅增加。
金刚石器件阵列拉伸示意图
（a）- （c）应变金刚石器件阵列，（d）沿不同方向不同应变值下，金刚石禁带宽度变化的第一性原理预测 （来源Lu Y.*, et al. Science, 2021）
在一次联合城大超金刚石及先进薄膜研究中心及麻省理工学院（MIT）等共同探索金刚石微纳力学的研发项目中，陆洋教授带领课题组在实验中突破性地发现，金刚石这种 “最硬的” 材料当特征尺寸缩小到纳米尺度其不仅可以弯曲，甚至还可发生显著弹性变形，局部最大变形量达到接近9%。
在早前单晶金刚石纳米针中实现的超大弹性变形（来源：Lu*, et al. Science, 2018)
于是，以这一发现为突破口，陆洋教授课题组开始持续深度钻研“应变金刚石”的半导体应用潜力及其在微纳尺度下“弹性应变工程”，并因此为行业发展带来新的启发。他与哈工大合作团队首次采用基于大尺寸单晶金刚石的微加工，在室温下沿 [100]、[101] 和 [111] 等不同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，进行原位力学加载，并在单轴拉伸载荷下实现了金刚石接近10%的均匀“弹性应变”，接近金刚石的理论弹性极限。与此同时，研究团队与麻省理工和劳伦斯伯克利实验室的科学家通过理论模拟和原位电镜EELS实验进一步展示了通过对微加工的金刚石进行‘深层弹性应变工程’（deep elastic strain engineering），减小其电子能带隙并有可能实现从间接带隙到直接带隙转变，带来研制新型电子器件的可能性，在光子学、电子学和量子信息技术方面的巨大应用潜力。陆洋教授这一项研究成果，于2021年1月1日发表在国际顶级期刊《Science》，引起业界轰动。
“精进管理”成就微纳制造高效平台
目前，在城大和深圳市科创委的支持下，陆洋教授领导下的香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室（Nano-Manufacturing Laboratory，NML)正走在国内金刚石半导体微纳制造的技术前沿，同时也是业界领先的高精度微纳制造平台，不断为金属及半导体机械超材料和器件领域探索先进的技术和知识。
位于香港城市大学深圳研究院的纳米制造实验室（NML）具备先进微纳制造和表征一体化平台
让人觉得意外，陆洋教授并不单单只讲技术，还非常注重管理。在谈到香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室的平台成长时，陆洋教授深有感触：“（实验室）能有今天的初步成功，除了技术上的突破，离不开团队的精进管理。我们推行的这套‘精进管理’，其内核就是以人才为本，不断改进、改进，再改进。金刚石半导体微纳米制造研发是一个不断试错和改进的过程，管理上我倡导每一个博士生，每一位在站博士后都是独当一面的主人公，同时又是能协同共进的集体，人人都有发现问题和解决问题的权力，也都能尽情发表自己的观点，每一个人都能畅所欲言，不畏惧失败，才能思维开阔，大家一起合作才能心情舒畅…这样才能最大程度地调动大家积极创新的热情，有利于打破常规实现技术上的突破。”而新加入的杨丽民博士正是这样一位代表，目前他正在结合理论模拟与实验，尝试挑战“金刚石的n型掺杂”这一行业内公认的顶尖难题。
陆洋教授与合作团队首次实现了金刚石的深度弹性变形，相关成果发表在Science等权威期刊，并获得多项资助。陆教授本人也获得了首届国家自然科学基金优秀青年科学基金（港澳）的资助，并入选了香港研究资助局的首届“研资局研究学者（RFS）”项目。
显然，通过深度应变微加工金刚石，实现极大、可逆、均匀的弹性变形以及电子性能的调控，为新一代微电子科技开拓了新方向，但金刚石进入大规模的微电子产业应用目前仍然存在巨大挑战，仍然需要多领域、交叉学科的研究人员和产业专家共同努力才能积极推进，才能让其作为“碳基半导体”在有别于石墨烯和碳纳米管的另一条潜在赛道上实现我国半导体技术的“弯道超车”。陆洋教授迫切期望能有更多不同领域的研究者、投资者可以加入到金刚石宽禁带半导体的探索及小范围应用尝试中，共同努力让这种极具价值的尖端电子材料早日广泛应用于生产、生活等各个领域，以造福社会，造福人民。
