Исследовательский контекст

Под действием национальной стратегии, направленной на достижение целей «двойного углеродного нейтрализма» и обеспечения самостоятельного и надёжного контроля над технологиями нового поколения, высокомощные и высокочастотные электронные компоненты требуют… Сверхширокозонный полупроводник Материалы предъявляют насущную потребность. Алмаз, обладая сверхвысокой напряжённостью пробоя (5–10 МВ/см), исключительно высокой теплопроводностью (~2000 Вт/м·К) и большой подвижностью носителей заряда, считается идеальным кандидатом для следующего поколения мощных электронных приборов; его развитие уже включено в ключевые национальные программы научно‑технических исследований и в перспективные стратегии развития полупроводниковой отрасли. Однако алмазные устройства в реальных условиях эксплуатации по‑прежнему сталкиваются с серьёзными проблемами надёжности — при экстремальных электрических полях они склонны к возникновению… Электрический пробой и отказ , что серьёзно сдерживает процесс их инженерной реализации и промышленного производства.

Недавние исследования показали, что пробойный разрушительный механизм алмаза обладает выраженной Зависимость от кристаллографического направления : (111) плоскости кристаллической решётки при совместном воздействии электрического и теплового полей первоочередно подвергаются деформации решётки и аморфизации, тогда как плоскости (100) и (110) демонстрируют более высокую стабильность. Это открытие подчёркивает глубинный конфликт между собственной анизотропией материала и конструктивным проектированием устройств. Текущий технологический барьер заключается в отсутствии ин‑сitu‑понимания на атомном уровне эволюции напряжений, путей фазовых превращений и механизмов термического разгона в процессе электрического пробоя, что затрудняет обоснованное выбора кристаллографических направлений, инженерии границ раздела и стратегий управления тепловыми режимами. Поэтому необходимо объединить методы ин‑сitu‑характеризации, многомасштабное моделирование и технологии изготовления устройств, чтобы сформировать связную модель «кристаллографическое ориентирование — электротермическая стабильность — механизмы отказа», что обеспечит стратегическую поддержку для целенаправленного проектирования высоконадёжных алмазных силовых устройств и их отечественной замены.

В ответ на вышеуказанные проблемы команда, сформированная Университетом Китайской академии наук, использовала технологии компании «Цзэюй» Трансмиссионная электронная микроскопия в режиме in situ Было проведено систематическое исследование; впервые с помощью экспериментов по необратимому электрическому пробою in situ, совмещённых с численным моделированием, выявлен механизм разрушения алмаза, связанного со стресс‑индуцированной аморфизацией вдоль кристаллографического направления (111), что предоставило ключевые научные основы для проектирования высокопроизводительных алмазных устройств.
Заголовок: Механизм разрушения алмаза при электрическом пробое
Журнал: Клеточные отчёты по физической науке
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.102843

Создание экспериментальной платформы для ин‑ситу электрического пробоя и его непрерывное наблюдение в реальном времени

Исследовательская группа, опираясь на предоставленный компанией Zeyou Technology зонд‑стержень с двойным наклоном в режиме in situ, создала в сканирующем трансмиссионном электронном микроскопе систему управляемого приложения высокого электрического поля. С помощью фокусируемого ионного пучка были вырезаны канавки в монокристаллическом алмазе и осаждены Pt‑проводящие дорожки, что позволило точно локализовать область пробоя; затем с использованием этого образцового стержня был осуществлён точный контроль контакта вольфрамового зонда с поверхностью алмаза и подача ступенчатого смещения от 0 до 20 В, что обеспечило успешное наблюдение процесса электрического пробоя в реальном времени и in situ. Данная платформа не только исключает влияние механического давления на кристаллическую решётку, но и позволяет одновременно фиксировать токовые отклики в наносекундном масштабе и эволюцию структуры, что создаёт ключевую экспериментальную базу для раскрытия механизмов разрушения алмаза.

(111) Стресс‑драйвовый механизм приоритетного разрушения кристаллических граней

Путём количественного анализа распределения напряжений в областях до и после пробоя на основе геометрической фазы было установлено, что в алмазе с ориентацией (111) напряжение, направленное параллельно плоскости кристалла (σ_yy,Relative), первым вызывает смещение межплоскостных расстояний; затем напряжение, перпендикулярное этой плоскости (σ_xx,Relative), дополнительно нарушает внутроплоскостную периодичность, что в конечном итоге приводит к разрушению кристаллической решётки и её переходу в аморфный углерод. В ходе этого процесса двойной наклонный зонд‑стержень компании Zeyou Technology обеспечивает стабильность приложения электрического поля и наноразрешённую точность позиционирования зонда, благодаря чему высокоразрешающие изображения ТЭМ позволяют чётко отследить весь процесс — от деформации кристаллической решётки до её аморфизации, — впервые экспериментально подтвердив, что структурная уязвимость плоскости (111) при электро‑термическом взаимодействии обусловлена анизотропной эволюцией напряжений.

Зависимость термической стабильности от кристаллографического направления и путь неграфитизации

Сравнительные эксперименты на трёх кристаллических плоскостях — (100), (110) и (111) — показали, что после пробоя заметное ухудшение наблюдается лишь в области (111), тогда как плоскости (100) и (110) при более высоких напряжённостях электрического поля сохраняют структурную целостность. Спектр потери энергии электронов (EELS) показало, что все соотношения интенсивностей π*/σ для продуктов пробоя находятся ниже 1:3, что подтверждает прямое превращение алмаза в аморфный углерод, а не в графит. Высокостабильная электромеханическая среда, обеспечиваемая компанией Zeyou Technology, позволила исследовательской группе исключить влияние примесей и дефектов и однозначно отнести механизм разрушения к собственному кристаллографическому эффекту, тем самым опровергнув традиционное представление о том, что при высоких температурах алмаз неизбежно переходит в графит.

Верификация молекулярно‑динамического моделирования и унификация механизма термического разрушения

С учётом экспериментальных результатов команда провела молекулярно‑динамическое (MD) моделирование и установила, что на плоскости (111) слоистое расслоение начинается при температуре выше 2400 К, тогда как плоскости (110) и (100) выдерживают температуры до 3800 К. Моделирование выявило анизотропный путь термической неустойчивости, который в значительной степени согласуется с данными in situ‑экспериментов: мгновенный джоулев нагрев приводит к тепловому разрушению, однако локальное повышение температуры, индуцированное электрическим полем, совместно с ориентацией кристаллической решётки определяет место начала разрушения. Такая замкнутая цепь «эксперимент–моделирование» не только прояснила, что при электрическом пробое алмаза ключевым фактором является аморфизация, обусловленная совместным действием механических напряжений и теплового воздействия, но и предоставила теоретическое обоснование выбора кристаллографических направлений для устройств высокой надёжности — например, предпочтительного использования ориентации (110).

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование Zeyou Technology, использованное в рамках данного исследования: