Физики превратили алмаз в металл

МОСКВА, 6 окт — РИА Новости. Российские и американские ученые 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 в природе материала. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Физики из Сколтеха вместе с коллегами из Массачусетского технологического института (MTI) доказали, что простой изгиб алмазных наноигл может при комнатной температуре превратить алмаз из электрического изолятора в металлический проводник. При снятии напряжения материал возвращается в исходное состояние.

По мнению исследователей, это позволит в будущем добиться 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. Так они обнаружили, что при определенной геометрии монокристаллических наноигл даже простой изгиб может эффективно металлизировать алмаз при деформациях ниже уровней разрушения или дестабилизации атомной структуры или фазового перехода в графит.

Метод деформации полупроводникового материала (например, кремния) для улучшения его характеристик применяется в индустрии микроэлектроники уже более двух десятилетий. Однако в случае кремния речь идет о деформации порядка одного процента.

Авторы нынешнего исследования пошли значительно дальше — они доказали, что можно существенным образом менять электрические, оптические, тепловые и другие свойства материалов, подвергая их механической деформации, достаточной для изменения геометрического расположения атомов в кристалле материала, но не нарушающей саму кристаллическую решетку. 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. Оно 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. Однако исследователи теоретически доказывают, что запрещенную зону алмаза можно постепенно, непрерывно и обратимо изменять, 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.