應變金剛石電路概念圖。
“鉆石恒久遠，一顆永流傳。”鉆石，也叫金剛石。長久以來，鉆石以其具備稀少、美麗、耐久的品質被人們視為珍寶。
近期的一項研究成果表明，鉆石不僅僅是稀世珍寶，更具有科技應用潛力——它有望成為下一代電子元件的制備材料，用于未來量子計算機的芯片制作。
很長一段時間里，硅一直是第三代半導體最重要的原材料。電腦、手機等電子設備內部，都依賴于半導體芯片和硅基集成電路。根據摩爾定律，一英寸計算機芯片上的晶體管數量每年翻一番，成本減半。這意味著積壓在硅芯片上的微型晶體管，每年的體積都縮小一半。隨著時間推移和半導體行業發展，硅的未來岌岌可危。
工程學家一直希望找到一種優于硅的材料，以制備出更小、運行更快且有效性更高的芯片。這時，金剛石以其獨特的物理性質進入了研究者視野。
金剛石具有高度導電和導熱性，是制備高頻率、大功率電子元器件的理想候選材料。然而，金剛石同時也是個“硬漢”：它具有極高的硬度和脆性，在制備過程中經常會損害到材料本身，或者難以使金剛石達到電子元器件的性能指標。由于沒有發現它的運用可行性，把它應用于電子行業一度被工程學家比作“攀登珠穆朗瑪峰”。
在研究過程中，研究人員利用特殊辦法，制備出直徑只有人類頭發百分之一的微型單晶金剛石。在室溫下，該材料可達到最大均勻拉伸應變9.7%，且在解除拉伸之后能恢復原狀。在拉伸應變增加過程中，金剛石帶隙會隨之減少，拉伸到達9%以上就會由“間接帶隙”變為“直接帶隙”，實現電子躍遷并釋放光子。這一新特性與現有半導體元器件類似，有應用于光電元件、甚至量子元件的潛力。
研究人員認為，他們的研究結果將推進金剛石元件“走下珠穆朗瑪峰”。未來的量子計算機或可憑借金剛石制成的芯片，大幅提升計算機熱導率，讓計算機在接近絕對零度下也能保持順暢運行。（朱文疆 李 超 李 京）
來源：解放軍報
