«Металлический» алмаз может по желанию переключаться с изолятора на проводник
Алмаз — эффективный электрический изолятор, но, согласно новому исследованию, проведенному Массачусетским технологическим институтом и Наньянским технологическим университетом (NTU) Сингапура, это не всегда так.
Ученые подсчитали, что деформирующие алмазные нано-иглы изменят свою проводимость с изолятора на полупроводник, на металл с высокой проводимостью — и обратно по желанию.
Натяжение кажется чем-то, чего обычно следует избегать, но в некоторых случаях оно может изменить материал к лучшему. Напряженный кремний, например, может позволить электронам легче проходить через него, благодаря чему транзисторы могут переключаться на 35 процентов быстрее.
Ключ состоит в том, чтобы приложить достаточно усилий, чтобы повлиять на расположение атомов в кристаллической решетке, но не слишком сильно, чтобы сама решетка была нарушена.
Насколько легко электроны перемещаются через материал, измеряется как «ширина запрещенной зоны» этого материала, и чем больше это число, тем труднее электронам проходить через него. При 5,6 электронвольт алмаз обычно имеет сверхширокую запрещенную зону, что делает его отличным изолятором. Но в новом исследовании ученые нашли способ деформировать алмаз, чтобы изменить ширину запрещенной зоны.
Используя компьютерное моделирование квантовой механики и механической деформации, команда обнаружила, что алмазный зонд можно использовать для сгибания алмазных наноигл до различных уровней деформации.
Чем больше прикладывалась нагрузка, тем уже становилась ширина запрещенной зоны, пока она полностью не исчезла прямо перед точкой, где игла ломалась. В этот момент алмаз становится «металлизированным» и отличным проводником электричества.
«Мы обнаружили, что можно уменьшить ширину запрещенной зоны с 5,6 электрон-вольт до нуля», — говорит Джу Ли, автор исследования.
«Дело в том, что если вы можете непрерывно изменять напряжение от 5,6 до 0 электронвольт, то вы покрываете весь диапазон запрещенной зоны. С помощью инженерии деформаций можно сделать алмазную запрещенную зону кремнием, который наиболее широко используется в качестве полупроводника, или нитридом галлия, который используется для светодиодов. Вы даже можете сделать его инфракрасным детектором или обнаруживать весь диапазон света от инфракрасной до ультрафиолетовой части спектра».
Ученые считают, что у этого может быть ряд интересных приложений. Например, алмаз, изогнутый для создания градиента деформации, может создать солнечный элемент, который сможет улавливать более широкую частоту света на одном устройстве — работа, которая в настоящее время требует набора различных материалов. Этот метод также может помочь в создании новых типов квантовых детекторов и сенсоров.
Каким бы интригующим ни было исследование, в настоящее время оно все еще находится на стадии проверки концепции, поэтому пока преждевременно разрабатывать какие-либо практические устройства.
Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.