香港新闻网8月20日电  香港大学20日公布，工程学院机械工程系陆洋教授带领的研究团队近期取得突破性进展，成功揭示矽（硅，Si）和金刚石（钻石）等共价半导体在微纳尺度下展现超大弹性的微观物理本质。这项发现为“深度弹性应变工程”提供了关键定量化指导，有望推动下一代电子、光电及量子器件发展。

尽管共价半导体的超大弹性备受科学界瞩目，其底层的物理变形机制此前一直未被清晰阐明。团队首次在原子尺度下直接观察到单晶矽和金刚石在拉伸过程中的纯晶格演化，并精准测量其晶格应变。这项研究成功构建了宏观机械（力学）应变与微观晶格应变的桥梁，为基于弹性应变工程的先进半导体器件设计奠定了坚实的物理基础。

长期以来，宏观块体状态下的共价晶体被普遍认为是“又硬又脆”的材料，在力学加载的过程中往往直接发生脆性断裂。近年来，团队首先在实验上证明了矽、金刚石等共价半导体材料在微纳米尺度下可以达到接近其理论弹性极限的超大弹性应变。团队更发现这种极致的弹性变形能够带来颠覆性的物理性能，实现对其带隙、光学等物理性质动态、连续且可逆的控制。然而，底层的变形机制一直尚未阐明：这种超大的可逆变形究竟是完全来自于原子晶格拉伸，还是来自于复杂的原子重排（如缺陷产生、相变或超弹性）？在此之前，科学界一直缺乏原子尺度的直接证据。

为了解开这一性质的本质，研究团队采用了先进的原位拉伸高分辨透射电子显微镜（in situ HRTEM）和原位四维扫描透射电子显微镜（in situ 4D-STEM）技术。在室温下，对微加工获得的高质量单晶矽和单晶金刚石“微桥”结构沿着 [100] 和 [110] 方向进行了单轴拉伸测试。团队不仅在原子高分辨率下实时追踪了处于深度应变状态下的原子坐标分布，提取了原子分辨的晶格应变图，还以纳米空间分辨率和大视场成功绘制了两种半导体晶体全样品范围的高精度弹性晶格应变图。

研究发现，矽和金刚石的超大拉伸应变完全来源于可逆的原子晶格位移。实验证实，在无任何延伸缺陷或相变发生的情况下，金刚石和矽的晶格可以分别实现高达 8.9% 和 11.3% 的全样品均匀弹性拉伸。此外，团队还通过设计基于矽的应变固定器件，利用单色电子能量损失谱的谱图成像测量，证实了处于均匀弹性拉伸状态下的矽，其带隙实现了减小。

这项工作不仅在实验层面首次直接解答了共价晶体超大弹性的物理本质，通过构建“宏观机械（力学）应变”与“微观晶格应变”的一一对应关系，更为人工智能和机器学习辅助的弹性应变器件设计提供了最准确的真实原子坐标数据。

陆教授指出，关于共价晶体超大弹性本质的这一发现，标志著应变工程领域的一个基石。未来，想要设计性能更卓越的应变矽或金刚石微电子与光子学器件（如实现半导体到金属的转变、间接带隙转变为直接带隙等凝聚态物理与材料领域的“圣杯”），可以完全依赖于这些纯晶格演化的实验数据规律。这一重大发现将为深度弹性应变工程提供最核心的量化指导，推动基于弹性应变工程的技术创新，对量子资讯、先进半导体和光子技术等未来的尖端领域产生深刻影响。（完）