香港大学（港大）工程学院团队近日取得一项重要科研突破，研究人员成功透过机械拉伸技术，令氮化镓（GaN）材料的发光颜色实现从「紫外光（UV）到蓝光」的动态调控。这项技术突破为未来先进功率电晶体、光电元件、射频元件以及微型发光二极管（LED）显示器提供了全新的半导体材料调控方案。
图1: 展示氮化镓块体微加工制成单晶微桥。左上为加工前块体材料；右上为微桥样品；下图呈现拉伸测试过程，显示样本断裂前可达6.8%超大弹性应变。
研究由机械工程系陆洋教授领导，团队利用微纳加工技术，将单晶氮化镓材料制成微小的桥状结构（图1），并透过精密机械拉伸，使材料产生高达6.8%的弹性形变，其抗拉强度达到约11 GPa。这展现尺寸效应带来的非凡弹性变形能力，为深度应变工程开拓新的发展空间。
图2: 研究人员实时监测应变过程中的光学特性变化，当拉伸程度达到3.9%时，发光颜色已实现明显转变。氮化镓的带隙从3.41 eV连续红移至3.08 eV。
这种物理拉伸不仅没有损坏材料，反而成功将氮化镓的发光颜色从原本不可见的紫外光，逐步转变为肉眼可见的蓝色光。在原位力学拉伸结合阴极射线发光（cathodoluminescence）系统实验中，研究人员实时监测应变过程中的光学特性变化，当拉伸程度达到3.9%时，发光颜色已实现明显转变。氮化镓的带隙从3.41 eV连续红移至3.08 eV（图2）。发光波长相应从紫外光区进入可见光区。最大应变条件下，带隙可进一步降至2.96 eV（波长从约365 nm偏移至420 nm）。氮化镓作为获得2014年诺贝尔物理学奖的蓝光LED的核心材料，过去科学家需要透过添加不同化学元素来调节发光颜色，而这次港大的研究展示了一种纯物理的调控方法，技术的独特之处在于其「可逆性」——当撤去拉伸力时，材料会恢复原状，发光颜色也随之回到原本的紫外光。氮化镓的发光特性随应变状态的变化而完全可逆，这种动态调控方式，有别于传统需要改变材料化学成分的方法，为半导体光电技术带来了全新思路。
图3：应变固定氮化镓微机械器件应用展示右上CL光谱测试显示，当器件锁定于约3%拉伸应变时，发光带隙由3.42 eV显著红移至3.34 eV。
研究团队还设计了一种微型机械结构（图3），能够将拉伸状态「锁定」，透过锁定约3%的拉伸应变，该元件成功实现了发光波长从363nm到371nm的稳定红移，在不需要持续外力的情况下保持此应变发光状态，这项设计让技术更具实际应用价值。未来，这项技术有望应用于微型显示器、智能照明、甚至生物感测等领域，为人们的生活带来更多创新可能。这项研究成果已发表于国际顶级物理学期刊《物理评论X》，文章标题为「Deep Elastic Strain Engineering of Free-Standing GaN Microbridge」。
关于陆洋教授
陆洋教授现为港大工程学院机械工程系纳米力学讲座教授及建滔基金教授（物料工程），同时担任港大工程学院副院长（内地事务）。他长期从事微纳米力学研究，致力于发展先进原位力学实验技术，揭示半导体及超构材料的微观变形机制，并阐明多场耦合下力学与光电物理特性演化规律；同时结合多尺度力学设计方法，开发具高强度与高韧性等优异特性的力学超构材料与新型半导体器件，已于Science、Nature Materials、Nature Nanotechnology 等学术期刊发表逾300 篇论文，并持有多项美国专利。