Små diamanter kan muliggøre enorme fremskridt inden for nanoteknologi

Nanomaterialer har potentialet til at forbedre mange næste generations teknologier. De lover at fremskynde computerchips, øge opløsningen af ​​medicinsk billedbehandlingsudstyr og gøre elektronik mere energieffektiv. Men at præge nanomaterialer med de rigtige egenskaber kan være tidskrævende og dyrt. En ny, hurtig og billig metode til at konstruere diamantbaserede hybride nanomaterialer kan snart lancere feltet fremad.

University of Maryland forskere udviklede en metode til at bygge diamantbaserede hybride nanopartikler i store mængder fra bunden, derved omgås mange af problemerne med de nuværende metoder. Teknikken er beskrevet i den 8. juni, 2016 udgave af tidsskriftet Naturkommunikation .

Processen begynder med lille, diamanter i nanoskala, der indeholder en specifik type urenhed:et enkelt nitrogenatom, hvor et kulstofatom skal være, med et tomt rum lige ved siden af, som følge af et andet manglende carbonatom. Denne "nitrogentomhed"-urenhed giver hver diamant særlige optiske og elektromagnetiske egenskaber.

Ved at fæstne andre materialer til diamantkornene, såsom metalpartikler eller halvledende materialer kendt som "kvanteprikker, "Forskerne kan skabe en række tilpassede hybride nanopartikler, herunder nanoskala halvledere og magneter med præcist skræddersyede egenskaber.

"Hvis du parrer en af ​​disse diamanter med sølv eller guld nanopartikler, metallet kan forbedre nanodiamantens optiske egenskaber. Hvis du kobler nanodiamanten til en halvledende kvanteprik, hybridpartiklen kan overføre energi mere effektivt, " sagde Min Ouyang, en lektor i fysik ved UMD og seniorforfatter på undersøgelsen.

Beviser tyder også på, at et enkelt nitrogen-tomrum udviser kvantefysiske egenskaber og kunne opføre sig som en kvantebit, eller qubit, ved stuetemperatur, ifølge Ouyang. Qubits er de funktionelle enheder af den endnu uhåndgribelige kvantecomputerteknologi, som en dag kan revolutionere den måde, mennesker opbevarer og behandler information på. Næsten alle qubits, der er undersøgt til dato, kræver ultrakolde temperaturer for at fungere korrekt.

En qubit, der fungerer ved stuetemperatur, ville repræsentere et væsentligt skridt fremad, lette integrationen af ​​kvantekredsløb i industrielle, elektronik på kommercielt og forbrugerniveau. De nye diamant-hybrid nanomaterialer beskrevet i Naturkommunikation har et betydeligt løfte om at forbedre ydeevnen af ​​ledige nitrogenpladser, når de bruges som qubits, Ouyang bemærkede.

Selvom sådanne applikationer lover fremtiden, Ouyang og kollegers vigtigste gennembrud er deres metode til at konstruere de hybride nanopartikler. Selvom andre forskere har parret nanodiamanter med komplementære nanopartikler, sådanne bestræbelser var baseret på relativt upræcise metoder, såsom at manuelt installere diamanter og partikler ved siden af ​​hinanden på en større overflade én efter én. Disse metoder er dyre, tidskrævende og introducerer en lang række komplikationer, siger forskerne.

"Vores nøgleinnovation er, at vi nu pålideligt og effektivt kan producere disse fritstående hybridpartikler i stort antal, " forklarede Ouyang, som også har ansættelser i UMD Center for Nanophysics and Advanced Materials og Maryland NanoCenter, med et tilknyttet professorat i UMD Institut for Materialevidenskab og Teknik.

Metoden udviklet af Ouyang og hans kolleger, UMD fysikforsker Jianxiao Gong og fysikstuderende Nathaniel Steinsultz, muliggør også præcis kontrol af partiklernes egenskaber, såsom sammensætningen og det samlede antal af ikke-diamantpartikler. Hybridnanopartiklerne kunne fremskynde designet af stuetemperatur-qubits til kvantecomputere, lysere farvestoffer til biomedicinsk billeddannelse, og meget følsomme magnetiske og temperatursensorer, for at nævne nogle få eksempler.

"Hybride materialer har ofte unikke egenskaber, der opstår fra interaktioner mellem hybridens forskellige komponenter. Dette gælder især i nanostrukturerede materialer, hvor stærke kvantemekaniske interaktioner kan forekomme, " sagde Matthew Doty, en lektor i materialevidenskab og teknik ved University of Delaware, som ikke var involveret i undersøgelsen. "UMD-teamets nye metode skaber en unik mulighed for bulkproduktion af skræddersyede hybridmaterialer. Jeg forventer, at dette fremskridt vil muliggøre en række nye tilgange til sensing og diagnostiske teknologier."

Nanodiamanternes særlige egenskaber bestemmes af deres nitrogen-tomgang, som forårsager defekter i diamantens krystalstruktur. Rene diamanter består af et ordnet gitter af kulstofatomer og er fuldstændig gennemsigtige. Imidlertid, rene diamanter er ret sjældne i naturlige diamantaflejringer; de fleste har defekter som følge af ikke-kulstof urenheder såsom nitrogen, bor og fosfor. Sådanne defekter skaber de subtile og ønskværdige farvevariationer, der ses i ædelstensdiamanter.

Diamanterne i nanoskala, der blev brugt i undersøgelsen, blev skabt kunstigt, og har mindst én kvælstof ledig stilling. Denne urenhed resulterer i en ændret bindingsstruktur i det ellers ordnede kulstofgitter. Den ændrede binding er kilden til det optiske, elektromagnetiske og kvantefysiske egenskaber, der gør diamanterne nyttige, når de parres med andre nanomaterialer.

Selvom den aktuelle undersøgelse beskriver diamanter med nitrogensubstitutioner, Ouyang påpeger, at teknikken også kan udvides til andre diamanturenheder, som hver især kunne åbne op for nye muligheder.

"En stor styrke ved vores teknik er, at den er bredt anvendelig og kan anvendes på en række forskellige diamanttyper og parres med en række andre nanomaterialer, Ouyang forklarede. "Det kan også skaleres op ret nemt. Vi er interesserede i at studere den grundlæggende fysik yderligere, men også bevæger sig mod specifikke applikationer. Potentialet for kvantesammenfiltring ved stuetemperatur er særligt spændende og vigtigt."