(Phys.org) — Door precies de juiste hoeveelheid spanning op een keten van koolstofatomen toe te passen, kan deze van een metalen geleider in een isolator veranderen, volgens wetenschappers van Rice University.

Het uitrekken van het materiaal dat bekend staat als carbyne - een moeilijk te maken, eendimensionale keten van koolstofatomen - met slechts 3 procent kan de eigenschappen beginnen te veranderen op manieren die ingenieurs nuttig zouden kunnen vinden voor mechanisch geactiveerde elektronica en optica op nanoschaal.

De bevinding van Rice theoretisch fysicus Boris Yakobson en zijn collega's verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

Tot voor kort, carbyne heeft voornamelijk in theorie bestaan, hoewel experimentatoren enige vooruitgang hebben geboekt bij het maken van kleine monsters van het kieskeurige materiaal. De koolstofketen zou theoretisch het sterkste materiaal ooit zijn, als iemand het maar betrouwbaar kon maken.

De eerste-principe berekeningen door Yakobson en zijn co-auteurs, Rice postdoctoraal onderzoeker Vasilii Artyukhov en afgestudeerde student Mingjie Liu, laten zien dat het uitrekken van koolstofketens de overgang van geleider naar isolator activeert door de bandafstand van het materiaal te vergroten. Bandhiaten, welke vrije elektronen moeten overwinnen om een ​​circuit te voltooien, materialen de halfgeleidende eigenschappen geven die moderne elektronica mogelijk maken.

In hun eerdere werk over carbine, de onderzoekers geloofden dat ze hints van de overgang zagen, maar ze moesten dieper graven om te ontdekken dat uitrekken het materiaal effectief in een schakelaar zou veranderen.

Elk koolstofatoom heeft vier elektronen beschikbaar om covalente bindingen te vormen. In hun ontspannen toestand, de atomen in een carbyne-keten zouden min of meer gelijkmatig verdeeld zijn, met twee banden tussen hen. Maar de atomen zijn nooit statisch, als gevolg van natuurlijke kwantumonzekerheid, die volgens Yakobson ervoor zorgt dat ze niet wegglijden in een minder stabiele Peierls-vervorming.

"Peierls zei dat eendimensionale metalen onstabiel zijn en halfgeleiders of isolatoren moeten worden, " zei Yakobson. "Maar zo eenvoudig is het niet, omdat er twee drijvende factoren zijn."

Een, de Peierls-vervorming, "wil de kloof openen waardoor het een halfgeleider is." De andere, zogenaamde nulpuntvibratie (ZPV), "wil uniformiteit en de metaaltoestand behouden."

Yakobson legde uit dat ZPV een manifestatie is van kwantumonzekerheid, die zegt dat atomen altijd in beweging zijn. "Het is meer een waas dan een trilling, " zei hij. "We kunnen zeggen dat carbyne het onzekerheidsprincipe in actie vertegenwoordigt, want als het ontspannen is, de bindingen worden constant verward tussen 2-2 en 1-3, tot het punt waarop ze gemiddeld worden en de ketting metaalachtig blijft."

Maar het uitrekken van de ketting verschuift de balans naar afwisselend lange en korte (1-3) bindingen. Dat opent geleidelijk een bandgap die begint bij ongeveer 3 procent spanning, volgens de berekeningen. Het Rice-team heeft een fasediagram gemaakt om de relatie tussen de bandafstand en spanning en temperatuur te illustreren.

Hoe carbyne aan elektroden is bevestigd, is ook van belang, zei Artjoechov. "Verschillende bindingsconnectiviteitspatronen kunnen de metaal-/diëlektrische toestandsbalans beïnvloeden en het overgangspunt verschuiven, mogelijk naar waar het mogelijk niet meer toegankelijk is, "zei hij. "Dus men moet uiterst voorzichtig zijn met het maken van de contacten."

"De structuur van Carbyne is een raadsel, " zei hij. "Tot deze krant, iedereen was ervan overtuigd dat het single-triple was, met een lange obligatie dan een korte obligatie, veroorzaakt door Peierls-instabiliteit." Hij zei dat het besef dat kwantumtrillingen Peierls kunnen uitdoven, samen met de eerdere bevinding van het team dat spanning de band gap kan vergroten en carbyne meer isolerend kan maken, aanleiding voor de nieuwe studie.

"Andere onderzoekers beschouwden de rol van ZPV in Peierls-actieve systemen, zelfs Caryne zelf, voordat we het deden, " zei Artyukhov. "Echter, in alle eerdere onderzoeken werden slechts twee mogelijke antwoorden overwogen:ofwel 'carbyne is halfgeleidend' of 'carbyne is metallisch, ' en de conclusie welke dan ook, werd gezien als een soort tijdloze wiskundige waarheid, een statisch 'eindoordeel'. Wat we ons hier realiseerden, is dat je spanning kunt gebruiken om dynamisch van het ene regime naar het andere te gaan, waardoor het op een heel ander niveau bruikbaar is."

Yakobson merkte op dat de bevindingen meer onderzoek naar de vorming van stabiele carbyne-ketens zouden moeten aanmoedigen en evenzeer van toepassing kunnen zijn op andere eendimensionale ketens die onderhevig zijn aan Peierls-vervormingen, inclusief geleidende polymeren en lading/spin-dichtheidsgolfmaterialen.