Алмазы, широко известные как самый твердый из всех природных материалов, также являются исключительными проводниками тепла и электрическими изоляторами. Теперь исследователи открыли способ управляемой настройки крошечных кристаллов алмаза, чтобы изменить их электронные свойства, переключая их от изоляционных через полупроводниковые до высокопроводящих или металлических. Процесс можно вызвать динамически и по желанию обратить вспять без ухудшения качества алмазного материала.
Исследование, хотя оно все еще находится на ранней стадии проверки концепции, может быть применено в большом количестве сфер, включая создание новых видов широкополосных солнечных элементов, высокоэффективных светодиодов и передовой силовой электроники, а также новых оптических устройств или квантовых датчиков, считают исследователи.
Их выводы, основанные на моделировании, расчетах и предыдущих экспериментальных результатах, были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences. Статья написана профессором Массачусетского технологического института Цзюй Ли и аспирантом Чжэ Ши. В качестве соавторов выступили весьма авторитетные исследователи, включая президента Технологического университета Наньян в Сингапуре, а также двух наших соотечественников — Евгения Цымбалова и Александра Шапеева из Сколковского института науки и технологий (Москва).
Команда использовала комбинацию квантово-механических расчетов, анализа механической деформации и машинного обучения, чтобы продемонстрировать, что это явление, долгое время считавшееся возможным, действительно может происходить в наноразмерном алмазе.
Идея деформации полупроводникового материала, такого как кремний, для улучшения его характеристик нашла применение в индустрии микроэлектроники более двух десятилетий назад. Однако этот подход предполагал небольшие деформации — порядка 1%. Ли и его сотрудники потратили годы на разработку концепции инженерии упругих деформаций. Исследование основано на способности вызывать значительные изменения электрических, оптических, термических и других свойств материалов, буквально "вылепливая" их — подвергая механической деформации от умеренной до большой, достаточной для изменения геометрического расположения атомов в кристаллической решетке материала, но не нарушая ее.
Важным достижением в 2018 году стало то, что команда под руководством Суреша, Дао и Ян Лу из Городского университета Гонконга показала, что крошечные алмазные иглы диаметром всего несколько сотен нанометров можно сгибать без разрушения при комнатной температуре. Они смогли многократно сгибать эти наноиглы до деформации растяжения в 10%. После этого иглы могут вернуться в исходную форму.
Ключом к этой работе является свойство, известное как запрещенная зона, которая по существу определяет, насколько легко электроны могут перемещаться через материал. Таким образом, электропроводность материала находится в прямой зависимости от этого свойства. Алмаз обычно имеет очень широкую запрещенную зону в 5,6 электрон-вольт, что означает, что это сильный электрический изолятор, через который электроны не проходят легко. В своем последнем моделировании исследователи показывают, что запрещенная зона алмаза может постепенно, непрерывно и обратимо изменяться, обеспечивая широкий диапазон электрических свойств, от изолятора через полупроводник до металла.
Так, например, один крошечный кусок алмаза, изогнутый так, чтобы на нем был градиент напряжения, мог бы стать солнечным элементом, способным улавливать все частоты света на одном устройстве — то, что в настоящее время может быть достигнуто только с помощью тандема — устройства, которые объединяют в слои различные материалы солнечных элементов, чтобы суммировать их различные полосы поглощения. Когда-нибудь они могут быть использованы в качестве фотодетекторов широкого спектра для промышленных или научных целей.
Исследователи говорят, что эта ранняя стадия проверки концепции и ещё не скоро наступит день, когда они могут приступить к разработке практических устройств, но с текущими результатами, как они ожидают, практическое применение может быть возможным.
