撰稿|由课题组供稿
2023年8月10日，香港大学陆洋教授团队与香港城市大学刘影夏等合作者在著名物理期刊Applied Physics Letters上发表了题为“Tuning donor level of nitrogen-doped diamond by deep strain engineering – An ab initio study”的最新研究成果。该工作采用第一性原理计算的方法，研究了在深度弹性应变作用下，氮掺杂金刚石的施主能级变化以及调控。
金刚石作为一种优异的宽带隙半导体材料，拥有绝佳的理论性能，如超宽带隙（5.47 eV）, 高载流子迁移（电子4500 cm2 V-1s-1，空穴3800 cm2 V-1 s-1）以及高热导率（24 W cm-1 K-1）。然而在目前条件下，金刚石的掺杂相对硅来说较为困难，尤其是n型掺杂。在已有的诸多尝试下，金刚石的n型掺杂效率低，且多为深施主能级，无法在室温半导体器件中使用，制约了金刚石半导体电子器件的发展。
来自香港大学的陆洋教授与团队在之前的研究中，实现了多种半导体材料在微纳尺度下的深度弹性应变，尤其是在单晶金刚石微纳结构中实现了超大拉伸应变（Science 2018），同时通过计算预测了均匀拉伸应变对纯金刚石带隙的调控（Science 2021），揭示了应变工程在调控宽带隙半导体电子结构方面的巨大潜力，有望推动金刚石电子半导体的应用。因此，由此而来的一个新的思路是：能否通过弹性应变工程调控掺杂后的金刚石的半导体特性？
在本研究中，选用了氮掺杂金刚石模型，并分别施加拉伸、压缩应变，重点研究了应变与施主能级的关系。众所周知，氮元素在金刚石中一般占据单原子替换的位置，且施主能级深，位于导带下1.7 eV。
图 1：氮掺杂金刚石（a）以及未掺杂金刚石（b）的能带图计算结果。
当对氮掺杂金刚石沿不同方向施加应变之后，其施主能级发生了变化，最明显的就是施主能级出现了变浅的趋势。然而，不同方向的不同应变带来的施主能级变化幅度有区别。其中，拉伸应变对施主能级的调控作用有限，虽然有变浅的趋势，但仍然属于深施主能级的范围。而在压缩应变作用下，施主能级变浅的趋势则更加明显，尤其是沿[100]方向，当单轴应变达到9%，或[111]方向单轴应变达到11%时，能带图呈现了浅施主的特性。声子计算结果表明，这两种结构是稳定的。
计算表明，氮掺杂金刚石的深施主特性与其结构存在密切关系。当未施加应变，氮掺杂金刚石中的局部结构存在Jahn–Teller畸变，其中一个N-C键明显长于其他。而沿[100]和[111]方向施加压缩应变之后，这种Jahn–Teller畸变被削弱。尤其是当沿[100]方向施加的应变达到9%时，氮原子与周围4个碳原子的键长变得相等，而此时也刚好对应施主能级由深到浅的显著变化点。
图 2：应变作用下氮掺杂金刚石的施主能级变化模拟结果。
图 3：[100]方向9%或[111]方向11%压缩应变下模拟得到的氮掺杂金刚石的能带图、声子谱、以及热稳定性（300K）。
最后，值得一提的是，实验上[100]方向施加9%的应变并不是一件容易的事情。该工作仅研究了单轴应变对氮掺杂金刚石施主能级的影响。如果考虑施加复杂应变，比如拉伸、压缩、剪切，以及不同方向应变及其复杂的组合，较低的应变值也许就已可以实现类似调控效果（相关的工作可以参考Metallization of diamond. PNAS 2020;117(40):24634-24639）。
该研究工作有望为深度弹性应变工程运用于掺杂金刚石体系及其电子器件的设计提供新的思路和理论指导。
论文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0159829
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