Carbyne-morfer, når de strækkes:Beregninger viser, at kulstof-atomkæden ville gå metal til halvleder

(Phys.org) —Ved at påføre den helt rigtige mængde spænding på en kæde af kulstofatomer kan det ændre den fra en metallisk leder til en isolator, ifølge Rice University-forskere.

At strække materialet kendt som carbyne - et svært at lave, en-dimensionel kæde af kulstofatomer - med kun 3 procent kan begynde at ændre dens egenskaber på måder, som ingeniører kan finde nyttige til mekanisk aktiveret nanoskala elektronik og optik.

Fundet af Rice teoretisk fysiker Boris Yakobson og hans kolleger vises i American Chemical Society-tidsskriftet Nano bogstaver .

Indtil for nylig, carbyne har for det meste eksisteret i teorien, selvom eksperimentalister har gjort nogle fremskridt med at skabe små prøver af det kræsne materiale. Kulstofkæden ville teoretisk set være det stærkeste materiale nogensinde, hvis bare nogen kunne gøre det pålideligt.

De første-principberegninger af Yakobson og hans medforfattere, Ris postdoc-forsker Vasilii Artyukhov og kandidatstuderende Mingjie Liu, vise, at strækning af kulstofkæder aktiverer overgangen fra leder til isolator ved at udvide materialets båndgab. Båndhuller, som frie elektroner skal overvinde for at fuldføre et kredsløb, give materialer de halvledende egenskaber, der gør moderne elektronik mulig.

I deres tidligere arbejde om carbyne, forskerne mente, at de så antydninger af overgangen, men de måtte grave dybere for at finde ud af, at strækning effektivt ville gøre materialet til en kontakt.

Hvert carbonatom har fire elektroner til rådighed til at danne kovalente bindinger. I deres afslappede tilstand, atomerne i en carbyne-kæde ville være mere eller mindre jævnt fordelt, med to bånd imellem sig. Men atomerne er aldrig statiske, på grund af naturlig kvanteusikkerhed, hvilket Yakobson sagde, forhindrer dem i at glide ind i en mindre stabil Peierls-forvrængning.

"Peierls sagde, at endimensionelle metaller er ustabile og skal blive til halvledere eller isolatorer, " sagde Yakobson. "Men det er ikke så enkelt, fordi der er to drivende faktorer."

En, Peierls forvrængning, "ønsker at åbne det hul, der gør det til en halvleder." Den anden, kaldet nulpunktsvibration (ZPV), "ønsker at bevare ensartetheden og metaltilstanden."

Yakobson forklarede, at ZPV er en manifestation af kvanteusikkerhed, som siger, at atomer altid er i bevægelse. "Det er mere en sløring end en vibration, " sagde han. "Vi kan sige, at carbyne repræsenterer usikkerhedsprincippet i aktion, for når det er afslappet, bindingerne forveksles konstant mellem 2-2 og 1-3, til det punkt, hvor de går i gennemsnit, og kæden forbliver metallisk."

Men at strække kæden flytter balancen mod skiftevis lange og korte (1-3) bindinger. Det åbner gradvist et båndgab, der begynder ved omkring 3 procent spænding, ifølge beregningerne. Rice-teamet lavede et fasediagram for at illustrere forholdet mellem båndgabet og belastning og temperatur.

Hvordan carbyne er fastgjort til elektroder har også betydning, sagde Artyukhov. "Forskellige bindingsforbindelsesmønstre kan påvirke den metalliske/dielektriske tilstandsbalance og flytte overgangspunktet, potentielt til hvor den måske ikke længere er tilgængelig, " sagde han. "Så man skal være ekstremt forsigtig med at skabe kontakterne."

"Carbynes struktur er en gåde, sagde han. Indtil dette papir, alle var overbevist om, at det var enkelt-tredobbelt, med en lang binding derefter en kort binding, forårsaget af Peierls ustabilitet." Han sagde, at erkendelsen af, at kvantevibrationer kan slukke Peierls, sammen med holdets tidligere konstatering af, at spænding kan øge båndgabet og gøre carbyne mere isolerende, foranlediget den nye undersøgelse.

"Andre forskere overvejede ZPV's rolle i Peierls-aktive systemer, selv carbyne, før vi gjorde, " sagde Artyukhov. "Men, i alle tidligere undersøgelser blev der kun overvejet to mulige svar:enten 'carbyn er halvledende' eller 'carbyn er metallisk, ' og konklusionen, hvilken som helst, blev set som en slags tidløs matematisk sandhed, en statisk 'endelig dom'. Det, vi indså her, er, at du kan bruge spændinger til dynamisk at gå fra det ene regime til det andet, hvilket gør det nyttigt på et helt andet niveau."

Yakobson bemærkede, at resultaterne burde tilskynde til mere forskning i dannelsen af ​​stabile carbynkæder og kan gælde lige så meget for andre endimensionelle kæder, der er underlagt Peierls-forvrængninger, herunder ledende polymerer og ladnings-/spindensitetsbølgematerialer.