香港大學工程學院研究團隊近日取得一項重要科研突破。他們成功透過機械拉伸技術，令氮化鎵材料的發光顏色實現從「紫外光到藍光」的動態調控。這項技術為未來的先進功率電晶體、光電元件、射頻元件以及微型發光二極管顯示器，提供了全新的半導體材料調控方案。
圖示氮化鎵塊體微加工製成單晶微橋。左上為加工前塊體材料；右上為微橋樣品；下圖呈現拉伸測試過程，顯示樣本斷裂前可達6.8%超大彈性應變。港大圖片
實現高達6.8%彈性形變
研究由機械工程系陸洋教授領導，團隊利用微納加工技術，將單晶氮化鎵材料製成微小的橋狀結構。透過精密機械拉伸，使材料產生高達6.8%的彈性形變，其抗拉強度達到約11 GPa。這展現了尺寸效應帶來的非凡彈性變形能力，為深度應變工程開拓了新的發展空間。
圖示氮化鎵塊體微加工製成單晶微橋。左上為加工前塊體材料；右上為微橋樣品；下圖呈現拉伸測試過程，顯示樣本斷裂前可達6.8%超大彈性應變。港大圖片
發光波長從紫外偏移至可見光
這種物理拉伸不僅沒有損壞材料，反而成功將氮化鎵的發光顏色從原本不可見的紫外光，逐步轉變為肉眼可見的藍色光。在原位力學拉伸結合陰極射線發光系統的實驗中，研究人員實時監測應變過程中的光學特性變化。當拉伸程度達到3.9%時，發光顏色已實現明顯轉變，氮化鎵的帶隙從3.41 eV連續紅移至3.08 eV，發光波長相應從紫外光區進入可見光區。在最大應變條件下，帶隙可進一步降至2.96 eV，波長從約365 nm偏移至420 nm。
應變固定氮化鎵微機械器件應用展示。右上CL光譜測試顯示，當器件鎖定於約3%拉伸應變時，發光帶隙由3.42 eV顯著紅移至3.34 eV。港大圖片
具可逆性與「鎖定」結構設計
氮化鎵是2014年諾貝爾物理學獎藍光LED的核心材料，過去科學家需要透過添加不同化學元素來調節發光顏色。而這次港大的研究展示了一種純物理的調控方法，其獨特之處在於「可逆性」——當撤去拉伸力時，材料會恢復原狀，發光顏色也隨之回到原本的紫外光。這種發光特性隨應變狀態完全可逆的動態調控方式，有別於傳統需要改變材料化學成分的方法。
研究團隊還設計了一種微型機械結構，能夠將拉伸狀態「鎖定」。透過鎖定約3%的拉伸應變，該元件成功實現了發光波長從363nm到371nm的穩定紅移，在不需要持續外力的情況下保持此應變發光狀態，這項設計讓技術更具實際應用價值。未來，這項技術有望應用於微型顯示器、智能照明，甚至生物感測等領域。
這項研究成果已發表於國際頂級物理學期刊《物理評論X》，文章標題為「Deep Elastic Strain Engineering of Free-Standing GaN Microbridge」。
- 核心技術：透過機械拉伸實現氮化鎵材料發光顏色從紫外光到藍光的動態調控。
- 關鍵數據：拉伸產生高達6.8%的彈性形變；抗拉強度約11 GPa；帶隙可從3.41 eV降至2.96 eV。
- 技術特點：調控過程完全可逆；設計了可「鎖定」拉伸狀態的微型機械結構。
- 應用前景：為先進功率電晶體、光電元件、微型LED顯示器、智能照明及生物感測等領域提供新方案。
