港大研究顛覆百年認知 首證超薄柔性多晶鑽石膜具顯著壓電效應 為新型功能材料發展開闢新路

香港文匯報訊（記者 楊梓穎）香港大學工程學院近日在鑽石材料研究領域取得突破性進展，由電機與計算機工程系副教授褚智勤及機械工程系林原領導的研究團隊首次在超薄、超柔性的多晶鑽石膜中發現顯著壓電效應，顛覆學術界百年來對鑽石屬於非壓電材料的傳統認知。這項發現不僅為鑽石材料功能化開拓新方向，也為高可靠性微型能源系統、自供能感測技術，提供創新思維和關鍵技術支撐。相關研究成果已刊登於學術期刊《科學進展》。

自20世紀初以來，鑽石一直被普遍視為非壓電材料。儘管其具備高強度、高硬度、化學惰性等特性，並同時擁有極高聲速、熱導率、介電擊穿強度及超寬帶隙等優勢，但在微機電系統（MEMS）領域中，鑽石長期主要被用作支撐其他壓電材料層的機械基板，從未被視為具主動壓電功能的材料。因此，在研究初期，「讓鑽石發電」一度被認為是不切實際的構想。

為突破這一固有認知，研究團隊利用自主研發的「薄膜剝離技術」（edge-exposed exfoliation method），成功製備出超薄且可彎曲的多晶鑽石膜，令這種以堅硬聞名的材料首次展現出明顯的柔性彎曲能力。實驗顯示，當鑽石膜發生機械形變時，其兩側可輸出穩定電壓訊號，展現出優異的壓電響應。

為確保研究結論嚴謹可靠，並排除摩擦起電及環境雜訊等干擾因素，團隊在多種受控環境下，對樣品進行大量機械循環拉伸與彎曲測試。最終所得電學輸出訊號穩定且具高度可重複性，證實形變鑽石膜內部確實存在固有壓電特徵，為鑽石材料的功能拓展奠下重要基礎。

在進一步的第一原理計算機制研究中，團隊發現，相關壓電效應主要源自鑽石膜內部晶界結構的不對稱性。在彎曲應變作用下，晶界區域會出現電荷極化，並在薄膜上下表面形成電位差，從而實現機械能向電能的直接轉換。研究人員指出，這項發現不僅有望改寫基礎材料物理學中有關鑽石性質的既有認知，也意味鑽石未來有潛力正式納入壓電材料體系。

鑑於鑽石同時具備優異的生物相容性、化學穩定性與無毒性，這項新發現亦為其在醫療及能源領域的應用打開廣闊空間。例如，壓電鑽石膜有望應用於植入式醫療裝置，為心臟起搏器提供長期自供電，亦可望開發成毋須頻繁更換電池的長期心率感測器。此外，該材料在微型壓電發電機、換能器及高端聲學裝置等領域，同樣展現巨大應用潛力。