Normalt en isolator, diamant bliver en metallisk leder, når den udsættes for store belastninger i en ny teoretisk model

Længe kendt som det hårdeste af alle naturlige materialer, Diamanter er også exceptionelle termiske ledere og elektriske isolatorer. Nu, forskere har opdaget en måde at justere små nåle af diamant på en kontrolleret måde for at transformere deres elektroniske egenskaber, ringe dem fra isolering, gennem halvledende, hele vejen til meget ledende, eller metallisk. Dette kan induceres dynamisk og vendes efter ønske, uden nedbrydning af diamantmaterialet.

Forskningen, men stadig på et tidligt proof-of-concept-stadium, kan åbne op for en bred vifte af potentielle applikationer, herunder nye former for bredbåndssolceller, højeffektive LED'er og kraftelektronik, og nye optiske enheder eller kvantesensorer, siger forskerne.

Deres resultater, som er baseret på simuleringer, beregninger, og tidligere eksperimentelle resultater, er rapporteret i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences . Papiret er af MIT professor Ju Li og kandidatstuderende Zhe Shi; Hovedforsker Ming Dao; Professor Subra Suresh, der er præsident for Nanyang Technological University i Singapore samt tidligere dekan for ingeniørvidenskab og Vannevar Bush professor emeritus ved MIT; og Evgenii Tsymbalov og Alexander Shapeev ved Skolkovo Institute of Science and Technology i Moskva.

Holdet brugte en kombination af kvantemekaniske beregninger, analyser af mekanisk deformation, og maskinlæring for at demonstrere, at fænomenet, længe teoretiseret som en mulighed, virkelig kan forekomme i nanostørrelse diamant.

Konceptet med at belaste et halvledermateriale som silicium for at forbedre dets ydeevne fandt anvendelse i mikroelektronikindustrien for mere end to årtier siden. Imidlertid, den tilgang medførte små belastninger i størrelsesordenen omkring 1 procent. Li og hans samarbejdspartnere har brugt år på at udvikle konceptet med elastisk strain engineering. Dette er baseret på evnen til at forårsage væsentlige ændringer i det elektriske, optisk, termisk, og andre egenskaber ved materialer blot ved at deformere dem - sætte dem under moderat til stor mekanisk belastning, nok til at ændre det geometriske arrangement af atomer i materialets krystalgitter, men uden at forstyrre det gitter.

I et stort fremskridt i 2018, et hold ledet af Suresh, Dao, og Lu Yang fra Polytechnic University of Hong Kong viste, at små nåle af diamant, kun et par hundrede nanometer på tværs, kunne bøjes uden brud ved stuetemperatur til store belastninger. De var i stand til gentagne gange at bøje disse nanonåle til trækspænding så meget som 10 procent; nålene kan derefter vende tilbage intakte til deres oprindelige form.

Nøglen til dette arbejde er en egenskab kendt som bandgap, som i det væsentlige bestemmer, hvor let elektroner kan bevæge sig gennem et materiale. Denne egenskab er således nøglen til materialets elektriske ledningsevne. Diamant har normalt et meget bredt båndgab på 5,6 elektronvolt, hvilket betyder, at det er en stærk elektrisk isolator, som elektroner ikke let bevæger sig igennem. I deres seneste simuleringer, forskerne viser, at diamantens båndgab kan være gradvist, løbende, og reversibelt ændret, leverer en bred vifte af elektriske egenskaber, fra isolator over halvleder til metal.

"Vi fandt ud af, at det er muligt at reducere båndgabet fra 5,6 elektronvolt helt til nul, " siger Li. "Pointen med dette er, at hvis du kan ændre kontinuerligt fra 5,6 til 0 elektronvolt, så dækker du hele rækken af ​​båndgab. Gennem strain engineering, du kan få diamant til at have siliciums båndgab, som er mest udbredt som halvleder, eller galliumnitrid, som bruges til lysdioder. Du kan endda få det til at blive en infrarød detektor eller registrere en hel række lys hele vejen fra den infrarøde til den ultraviolette del af spektret."

"Evnen til at konstruere og designe elektrisk ledningsevne i diamant uden at ændre dens kemiske sammensætning og stabilitet giver en hidtil uset fleksibilitet til at specialdesigne dens funktioner, " siger Suresh. "De metoder, der er demonstreret i dette arbejde, kunne anvendes på en bred vifte af andre halvledermaterialer af teknologisk interesse inden for mekanisk, mikroelektronik, biomedicinsk, energi- og fotonikapplikationer, gennem strain engineering."

Så, for eksempel, et enkelt lille stykke diamant, bøjet, så den har en gradient af belastning henover sig, kunne blive en solcelle, der er i stand til at fange alle frekvenser af lys på en enkelt enhed - noget, der i øjeblikket kun kan opnås gennem tandem-enheder, der kobler forskellige slags solcellematerialer sammen i lag for at kombinere deres forskellige absorptionsbånd. Disse kan en dag blive brugt som bredspektrede fotodetektorer til industrielle eller videnskabelige applikationer.

En begrænsning, som krævede ikke kun den rigtige mængde belastning, men også den rigtige orientering af diamantens krystallinske gitter, var at forhindre stammen i at få atomkonfigurationen til at krydse et vendepunkt og blive til grafit, det bløde materiale, der bruges i blyanter.

Processen kan også gøre diamant til to typer halvledere, enten "direkte" eller "indirekte" halvledere med båndgab, afhængig af den påtænkte anvendelse. For solceller, for eksempel, direkte båndgab giver en meget mere effektiv opsamling af energi fra lys, giver dem mulighed for at være meget tyndere end materialer som silicium, hvis indirekte båndgab kræver en meget længere bane for at indsamle en fotons energi.

Processen kan være relevant for en lang række potentielle anvendelser, Li foreslår, som for meget følsomme kvantebaserede detektorer, der bruger defekter og dopingatomer i en diamant. "Ved brug af belastning, vi kan kontrollere emissions- og absorptionsniveauerne for disse punktdefekter, " han siger, at tillade nye måder at kontrollere deres elektroniske og nukleare kvantetilstande på.

Men i betragtning af den store variation af forhold, der er muliggjort af de forskellige dimensioner af belastningsvariationer, Li siger, "hvis vi har en bestemt applikation i tankerne, så kunne vi optimere mod det applikationsmål. Og hvad der er rart ved den elastiske straining tilgang er, at den er dynamisk, "så den løbende kan varieres i realtid efter behov.

Dette tidlige proof-of-concept arbejde er endnu ikke på det punkt, hvor de kan begynde at designe praktiske enheder, siger forskerne, men med den igangværende forskning forventer de, at praktiske anvendelser kunne være mulige, dels på grund af lovende arbejde, der udføres rundt om i verden på væksten af ​​homogene diamantmaterialer.