鑽石壓電效應的百年突破與應用

科學研究 材料科學 奈米技術 壓電效應 香港大學

摘要

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香港大學研究團隊於2026年7月20日發表重大突破,成功推翻了鑽石非壓電材料的百年傳統認知。研究證實,當鑽石被加工成超薄多晶薄膜時,其在受力彎曲下能產生穩定的電壓訊號,展現出隱藏的壓電效應。 該研究由香港大學電機電子工程系朱志勤教授與機械工程系林元教授領導,透過邊緣剝離技術製備出超薄且具柔韌性的多晶鑽石薄膜。此發現不僅挑戰了鑽石僅作為結構支撐材料的傳統觀點,更為其在微機電系統中的應用開闢了全新路徑。 研究指出,壓電效應的產生源於鑽石薄膜內部的晶界(晶體結構交界面)不對稱性。當薄膜受力彎曲時,電荷會沿著這些晶界累積,進而產生電壓差。此機制已通過多次受控彎曲實驗驗證,排除了環境干擾或摩擦電效應的影響。 由於鑽石具備生物相容性、化學穩定性及無毒特性,這項發現對未來醫療植入式裝置、微型感測器及自供電能源系統具有極高的應用價值,使鑽石從單純的硬度材料轉變為具備主動電學功能的智慧材料。

关键点

01

🔹 百年認知翻轉:鑽石的壓電特性

過去一個世紀以來,科學界普遍認為鑽石不具備壓電效應(機械變形轉化為電能的特性)。香港大學研究團隊透過實驗證實,當鑽石被製成超薄多晶薄膜時,其在機械應力下能產生穩定的電壓,徹底推翻了此項長期假設。

02

🔸 關鍵技術突破:邊緣剝離法

研究團隊採用創新的『邊緣剝離法』製備出超薄且具柔韌性的多晶鑽石薄膜。這種極致的薄度使原本堅硬的鑽石具備了彎曲能力,從而觸發了其內部的電學響應機制。

03

⭐ 電壓產生機制:晶界不對稱性

透過第一性原理計算分析,研究發現壓電效應主要源於鑽石薄膜內部的『晶界』(不同晶體結構的交界面)。當薄膜彎曲時,電荷在這些不對稱的晶界處累積,導致薄膜上下表面產生電壓差。

04

📊 實驗驗證與數據可靠性

為了確保數據準確,團隊在多種受控條件下進行了重複彎曲測試。實驗結果顯示,產生的電壓訊號穩定且具備可重複性,成功排除了環境干擾或摩擦電(因接觸摩擦產生的靜電)等偽訊號的影響。

05

💡 未來應用前景:醫療與能源

鑽石具備生物相容性、化學穩定性及無毒性,這使其在醫療植入式裝置中極具潛力。未來可開發為『變形感測器』或『自供電能源系統』,讓裝置無需外部電源即可運作,大幅提升微型電子設備的可靠性。

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