Ученые из России и США доказали, что алмазные наноиглы при деформации превращаются из электрического изолятора в металлический проводник с сохранением всех прочих свойств. Это открытие позволит найти новые технологические приложения для самого твердого материала в природе. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, передает РИА Новости.
Физики из Сколтеха вместе с коллегами из Массачусетского технологического института (MTI) доказали, что простой изгиб алмазных наноигл может обратимо превратить алмаз из электрического изолятора в металлический проводник при комнатной температуре. При снятии напряжения материал возвращается в свое исходное состояние.
По мнению исследователей, это позволит в будущем создать способ управляемой настройки проводящих свойств — от изоляционных через полупроводниковые до высокопроводящих, или металлических — без ухудшения качества алмазного материала.
Сначала авторы выполнили компьютерное моделирование обратимой деформации алмазных наноигл, а по его результатам создали алгоритм машинного обучения для оптимального выбора свойств материала и нагрузки.
Ученые обнаружили, что при определенной геометрии монокристаллических наноигл даже простой их изгиб может эффективно металлизировать алмаз при деформациях ниже уровней разрушения или дестабилизации атомной структуры или фазового перехода в графит.
Идея деформации полупроводникового материала, такого как кремний, для улучшения его характеристик используется в индустрии микроэлектроники уже более двух десятилетий. Однако, в случае кремния речь идет о деформации порядка одного процента.
Авторы пошли значительно дальше — они доказали, что можно существенным образом менять электрические, оптические, тепловые и другие свойства материалов, подвергая их механической деформации, достаточно большой для изменения геометрического расположения атомов в кристалле материала, но без нарушения самой кристаллической решетки. В частности, им удалось многократно сгибать и разгибать алмазные наноиглы до десяти процентов деформации при комнатной температуре без разрушения.
Для этого исследователи изучили свойство алмаза, известное как запрещенная зона. Это свойство определяет, насколько легко электроны могут перемещаться через материал, то есть характеризует его электропроводность.
Алмаз обычно имеет очень широкую запрещенную зону порядка 5,6 электронвольт. Это сильный электрический изолятор, через который электронам пройти очень трудно. В своей работе исследователи теоретически доказывают, что запрещенная зона алмаза может постепенно, непрерывно и обратимо изменяться, обеспечивая широкий диапазон электрических свойств — от изолятора через полупроводник до металла.
"Мы обнаружили, что можно непрерывно менять ширину запрещенной зоны от 5,6 электронвольт до нуля, — приводятся в пресс-релизе MTI слова одного из авторов исследования, профессора Цзю Ли (Ju Li). — Другими словами, с помощью деформации можно сделать запрещенную зону у алмаза такой же, как у кремния, который широко применяется в электронике в качестве полупроводника, или как у нитрида галлия, который используется для производства светодиодов. Вы также можете сделать алмаз инфракрасным детектором, способным обнаруживать весь диапазон света от инфракрасной до ультрафиолетовой части спектра".
По мнению авторов, возможность управлять электропроводностью алмаза без изменения его химического состава и стабильности решетки обеспечивает беспрецедентную гибкость для разработки множества принципиально новых электронных устройств и приложений квантового зондирования, таких как широкополосные солнечные элементы, высокоэффективные светодиоды и квантовые датчики.
Вам может быть интересно: «Навальный дал интервью Дудю»
