Lang bekend als de hardste van alle natuurlijke materialen, diamanten zijn ook uitzonderlijke thermische geleiders en elektrische isolatoren. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben een manier ontdekt om minuscule diamanten naalden op een gecontroleerde manier te tweaken om hun elektronische eigenschappen te transformeren, ze kiezen uit isolerend, door middel van halfgeleiders, helemaal tot zeer geleidend, of metaalachtig. Dit kan dynamisch worden geïnduceerd en naar believen worden omgekeerd, zonder degradatie van het diamantmateriaal.

Het onderzoek, hoewel nog in een vroeg stadium van proof-of-concept, kan een breed scala aan potentiële toepassingen openen, inclusief nieuwe soorten breedband zonnecellen, zeer efficiënte leds en vermogenselektronica, en nieuwe optische apparaten of kwantumsensoren, zeggen de onderzoekers.

Hun bevindingen, die gebaseerd zijn op simulaties, berekeningen, en eerdere experimentele resultaten, worden deze week gerapporteerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Het papier is van MIT Professor Ju Li en afgestudeerde student Zhe Shi; Hoofdonderzoeker Ming Dao; Professor Subra Suresh, die president is van de Nanyang Technological University in Singapore, evenals voormalig decaan van engineering en emeritus hoogleraar Vannevar Bush aan het MIT; en Evgenii Tsymbalov en Alexander Shapeev aan het Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie in Moskou.

Het team gebruikte een combinatie van kwantummechanische berekeningen, analyses van mechanische vervorming, en machine learning om aan te tonen dat het fenomeen, lang getheoretiseerd als een mogelijkheid, kan echt voorkomen in diamant van nanoformaat.

Het concept van het spannen van een halfgeleidermateriaal zoals silicium om de prestaties te verbeteren, vond meer dan twee decennia geleden toepassingen in de micro-elektronica-industrie. Echter, die aanpak bracht kleine spanningen met zich mee in de orde van grootte van ongeveer 1 procent. Li en zijn medewerkers hebben jarenlang het concept van elastische spanningstechniek ontwikkeld. Dit is gebaseerd op het vermogen om significante veranderingen te veroorzaken in de elektrische, optisch, thermisch, en andere eigenschappen van materialen door ze simpelweg te vervormen - ze onder matige tot grote mechanische belasting te plaatsen, genoeg om de geometrische rangschikking van atomen in het kristalrooster van het materiaal te veranderen, maar zonder dat rooster te verstoren.

Een grote vooruitgang in 2018, een team onder leiding van Suresh, Dao, en Lu Yang van de Polytechnische Universiteit van Hong Kong toonden aan dat kleine naalden van diamant, slechts een paar honderd nanometer in doorsnee, kan worden gebogen zonder breuk bij kamertemperatuur tot grote spanningen. Ze waren in staat om deze nanonaalden herhaaldelijk te buigen tot wel 10 procent trekkracht; de naalden kunnen dan intact terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm.

De sleutel tot dit werk is een eigenschap die bekend staat als bandgap, die in wezen bepaalt hoe gemakkelijk elektronen door een materiaal kunnen bewegen. Deze eigenschap is dus de sleutel tot de elektrische geleidbaarheid van het materiaal. Diamant heeft normaal gesproken een zeer brede bandgap van 5,6 elektronvolt, wat betekent dat het een sterke elektrische isolator is waar elektronen niet gemakkelijk doorheen kunnen bewegen. In hun laatste simulaties, de onderzoekers laten zien dat de bandgap van diamant geleidelijk kan worden, doorlopend, en omkeerbaar veranderd, biedt een breed scala aan elektrische eigenschappen, van isolator via halfgeleider tot metaal.

"We hebben ontdekt dat het mogelijk is om de bandgap te verminderen van 5,6 elektronvolt tot nul, "zegt Li. "Het punt hiervan is dat als je continu kunt veranderen van 5,6 naar 0 elektronvolt, dan dek je alle bandgaps af. Door middel van spanningstechniek, je kunt ervoor zorgen dat diamant de bandgap van silicium heeft, die het meest wordt gebruikt als halfgeleider, of galliumnitride, die wordt gebruikt voor LED's. Je kunt er zelfs een infrarooddetector van maken of een hele reeks licht detecteren, van het infrarood tot het ultraviolette deel van het spectrum."

"Het vermogen om elektrische geleidbaarheid in diamant te ontwerpen en te ontwerpen zonder de chemische samenstelling en stabiliteit te veranderen, biedt een ongekende flexibiliteit om de functies op maat te ontwerpen, ", zegt Suresh. "De methoden die in dit werk worden gedemonstreerd, kunnen worden toegepast op een breed scala van andere halfgeleidermaterialen van technologisch belang in mechanische, micro-elektronica, biomedisch, energie- en fotonica-toepassingen, door middel van spanningstechniek."

Dus, bijvoorbeeld, een enkel klein stukje diamant, gebogen zodat het een gradiënt van spanning erover heeft, zou een zonnecel kunnen worden die in staat is om alle lichtfrequenties op één apparaat op te vangen - iets dat momenteel alleen kan worden bereikt door tandemapparaten die verschillende soorten zonnecelmaterialen in lagen aan elkaar koppelen om hun verschillende absorptiebanden te combineren. Deze zouden ooit kunnen worden gebruikt als breedspectrumfotodetectoren voor industriële of wetenschappelijke toepassingen.

een beperking, die niet alleen de juiste hoeveelheid spanning vereiste, maar ook de juiste oriëntatie van het kristalrooster van de diamant, was om te voorkomen dat de spanning ervoor zou zorgen dat de atomaire configuratie een kantelpunt kruist en in grafiet verandert, het zachte materiaal dat in potloden wordt gebruikt.

Het proces kan van diamant ook twee soorten halfgeleiders maken, ofwel "directe" of "indirecte" bandgap-halfgeleiders, afhankelijk van de beoogde toepassing. Voor zonnecellen, bijvoorbeeld, directe bandgaps zorgen voor een veel efficiëntere verzameling van energie uit licht, waardoor ze veel dunner zijn dan materialen zoals silicium, waarvan de indirecte bandgap een veel langere weg nodig heeft om de energie van een foton te verzamelen.

Het proces kan relevant zijn voor een breed scala aan potentiële toepassingen, Li suggereert, zoals voor zeer gevoelige op kwantum gebaseerde detectoren die defecten en doteringsatomen in een diamant gebruiken. "Door spanning te gebruiken, we kunnen de emissie- en absorptieniveaus van deze puntdefecten controleren, " hij zegt, waardoor nieuwe manieren mogelijk zijn om hun elektronische en nucleaire kwantumtoestanden te beheersen.

Maar gezien de grote verscheidenheid aan omstandigheden die mogelijk worden gemaakt door de verschillende dimensies van spanningsvariaties, Li zegt, "Als we een bepaalde toepassing in gedachten hebben, dan kunnen we optimaliseren in de richting van dat toepassingsdoel. En wat leuk is aan de elastische spanningsbenadering is dat het dynamisch is, " zodat het indien nodig continu in realtime kan worden gevarieerd.

Dit proof-of-concept-werk in een vroeg stadium is nog niet zover dat ze kunnen beginnen met het ontwerpen van praktische apparaten, zeggen de onderzoekers, maar met het lopende onderzoek verwachten ze dat praktische toepassingen mogelijk zouden kunnen zijn, deels vanwege veelbelovend werk dat over de hele wereld wordt gedaan aan de groei van homogene diamantmaterialen.