近日，北京大学先进制造与机器人学院杨林研究员团队在国际物理学权威期刊《Physical Review Letters》发表题为“Phonon-assisted broadband light emission in strain-gradient modulated diamond nanoribbons”的研究论文，并获选期刊Editors’ Suggestion。该研究提出利用应变梯度协同调控金刚石电子结构与声子能谱，实现声子辅助的宽带发光，为宽禁带半导体光学性能的力学调控提供了新思路。

应变梯度连续调控电子带隙

金刚石作为典型的宽禁带半导体，具备超宽禁带、优异热导率和光学性能，但其深杂质能级和低掺杂激活效率极大限制了光电性能的灵活调控。针对这一难题，研究团队通过对金刚石纳米带进行机械弯曲，成功构建了可控应变梯度，从而在不依赖重掺杂或异质结构的条件下实现了电学与光学性质的有效调节。

利用扫描透射电子显微镜电子能量损失谱（STEM-EELS），团队在纳米尺度上精准测量了局域电子带隙。结果表明，随着局域应变由压缩逐渐过渡到拉伸，金刚石电子带隙呈连续降低趋势：在约1.90%的应变变化范围内，带隙由约5.30 eV降至4.80 eV。第一性原理计算进一步揭示，该变化主要源于应变对导带底能级的调控，理论结果与实验观测高度一致（图1）。

 

图1. 应变梯度连续调控电子带隙

应变梯度诱导声子谱展宽

金刚石属于间接带隙半导体，其跃迁发光需要声子参与以满足动量守恒，因此声子能量分布对发光行为至关重要。STEM-EELS对弯曲纳米带中局域晶格振动的探测显示，随着应变由压缩向拉伸演变，TA、LA及光学声子模式均发生系统性的能量位移（图2），表明应变不仅能调节电子带隙，还可同步改变局域晶格振动谱。

 

图2. 应变梯度下局域晶格振动谱

在此基础上，研究团队结合分子动力学模拟发现，应变梯度可显著诱导声子谱展宽。当应变梯度增加至 0.106%/nm 时，TA和TO等声子模式的线宽可达到无应变梯度状态的数十倍（图3），为间接带隙材料中的声子辅助跃迁提供了更多能量通道。

 

图3. 应变梯度诱导声子谱展宽

声子辅助发光的能量、强度与光谱宽度协同调控

为直接验证应变梯度对光学响应的影响，团队在80 K低温下开展了空间分辨阴极发光（CL）测试。结果表明，随着局域应变由拉伸向压缩变化，本征发光峰从约4.93 eV蓝移至5.01 eV，与STEM-EELS观测到的带隙变化趋势一致，同时发光强度降低约36%。此外，应变梯度显著拓展了本征发光峰，由无应变梯度的0.20eV增加至约 0.70 eV（图4）。

研究团队将上述现象归因于应变梯度对电子-声子协同调控的双重作用：局域应变直接调控电子能带和声子能量分布，进而调节发光峰位与强度；应变梯度进一步拓展声子能谱，扩大可满足动量守恒的声子能量范围，从而增加声子辅助跃迁通道并拓宽发光光谱。

 

图4. 应变梯度下声子辅助宽带发光

力学调控赋能宽禁带半导体光学工程

区别于传统依赖掺杂、缺陷工程或异质结构的光学调控策略，该工作利用几何可控的弹性应变场直接调节电子-声子-光子耦合过程，为力学可编程与可重构光电子器件、宽带光源、自适应光子系统等新兴领域提供了全新研究范式，也为宽禁带半导体光学性能的按需设计提供了可行路径。

该论文共同通讯作者为北京大学先进制造与机器人学院杨林研究员、物理学院杜进隆高级工程师、以及香港大学陆洋教授；北京大学先进制造与机器人学院硕士生张雨轩、博士生乔硕、香港大学博士后陆安粮为论文第一作者。共同合作者包括北京大学先进制造与机器人学院硕士生孙孝辉、博士生吕骏。本项研究得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1103/gcf5-chmf