2014年，诺贝尔物理学奖授予了赤崎勇、天野浩和中村修二，以表彰他们基于 GaN 发明了高效蓝色发光二极管（LED）。这一突破补全了光的三原色，彻底重塑了人类的照明方式。
然而，作为直接带隙半导体，GaN 本身却是在紫外波段的宽禁带半导体。为了调节 GaN 的发光从不可见的紫外到可见光的蓝光波段，在诺奖工作里日本科学家们采用的是通过“炼金术”般的化学方法——掺杂铟（In）来制造 InGaN 合金，以克服这一关键挑战（Rev. Mod. Phys. 87, 1139 (2015)）。但这种化学组分一经确定，材料的能带结构就固定了，无法进行动态、可逆的调节，成为一个“刚性”的桎梏：一旦合成，颜色难改。
既然化学组分难以动态改变，物理手段能否成为突破口？
近日，香港大学陆洋教授与合作团队在物理学顶刊《Physical Review X》上发表了题为《Deep Elastic Strain Engineering of Free-Standing GaN Microbridge》的重磅研究。
他们提出并验证了一种基于“深度弹性应变工程”（Deep Elastic Strain Engineering, DESE）的新策略，在微米尺度的单晶 GaN 上实现了超大的弹性拉伸，成功将其带隙从不可见的 3.4 eV（紫外）连续、可逆地调节至 2.96 eV（蓝光）。
这一发现，不仅打破了人们对 GaN “又硬又脆”的刻板印象，更为下一代动态可调光电子器件开启了全新的想象空间。
突破材料的“脆性”极限
在宏观认知中，半导体材料通常是脆性的。传统的块体 GaN 材料能承受的弹性应变极低（通常 <1%），一旦超过极限便会断裂，这使得通过应变来调节能带结构在过去被认为是不切实际的。
为了克服这一物理限制，研究团队利用了“尺寸效应”——材料越小，内部缺陷越少，强度越高。他们使用聚焦离子束（FIB）精细加工，将 [0001] 取向的单晶 GaN 加工成微米级的“微桥”结构。
原位扫描电子显微镜的拉伸测试结果显示，这些微桥展现出了惊人的力学性能：
表现出优异的线弹性行为，多次加载-卸载循环后能完全恢复原长。
实验中实现的最大弹性拉伸应变高达 6.8%。
这一数远远超过了之前实验中报道的约 1-3% 的应变范围，为“深度”应变工程奠定了物理基础。
把“不可见”变成“可见”
当 GaN 晶格发生如此剧烈的弹性形变时，其内部的电子能带结构发生了根本性的改变。研究团队通过原位阴极荧光（CL）光谱系统，实时监测了拉伸过程中的发光特性。结果显示，随着拉伸应变的增加，GaN 的发光峰位出现了显著的红移：
1、初始状态：无应变时，GaN 发出约 3.41 eV 的紫外光。
更为关键的是，这种带隙的变化是完全可逆的。一旦应力释放，能带结构迅速复原，发光波长也随之回到紫外波段。
为了揭示这一现象的物理本质，研究团队进行了基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算。计算结果表明，沿 [0001] 方向的拉伸应变主要导致导带底（CBM）能量显著下降，而价带顶（VBM）的变化相对较小。计算甚至预测，如果能将应变进一步推至6.8%（实验中达到的断裂前极限），GaN 的带隙将进一步降至2.68 eV。
应变的“固定”与集成
如果仅依靠外部拉伸台来维持应变，该技术在实际应用中将受到限制。为了验证其在器件层面的可行性，研究团队展示了如何将这种巨大的应变“封装”在芯片上。
他们设计并制造了一种“压转拉”（Push-to-Pull）微纳结构。这种结构能将外部压力转化为对中心 GaN 微桥的拉伸力，并通过离子束沉积技术将应变状态永久锁定。实验展示了一个被固定在 ~3.1% 应变状态下的器件，其发光波长稳定在 3.34 eV，无需外力维持。
此外，他们还展示了更为复杂的S形弯曲结构，同样实现了显著的光谱红移。这表明，通过设计不同的几何结构，未来的芯片可以在同一基底上集成具有不同发光波长的光源，实现真正的片上光电集成。
这项研究证明，“深度弹性应变”可以作为调节宽禁带半导体光电性能的又一有力维度。与传统的化学掺杂相比，这种物理调控方法具有连续性、可逆性和动态可调性。通过释放微纳尺度下材料的力学潜力，该成果为 GaN 在连续可调谐激光器、高灵敏度光电传感器以及下一代功率电子器件等领域的应用开辟了新的路径。
文章链接：
https://doi.org/10.1103/x76f-2vj8
供稿：课题组
