Sciencemag.cz
Doporučujeme
Ohýbání diamantových jehliček dokáže vratně udělat z diamantu obdobu kovu nebo třeba křemíku.
Diamant, jak ho známe, je izolant. Pro řadu aplikací bychom ale rádi kombinovali tvrdost a velkou tepelnou vodivost tohoto materiálu s jinými elektrickými vlastnostmi. Technologové proto nyní přišli s diamantovými jehličkami, které se dají přeměňovat na polovodiče i vodiče. Tyto procesy jsou vratné a nedochází při nich k přeměně diamantu na jinou modifikaci uhlíku ani jiné degradaci materiálu. Uvádí se, že tyto formy diamantů by se mohly uplatnit pro nové diody LED, solárních článcích a dalších optických zařízeních nebo ultracitlivých senzorech.
Na nové studii je podíleli lidé z MITu, singapurské Nanyang Technological University a moskevského Skolkovo Institute of Science and Technology.
Již asi před 20 lety se začalo s napínáním křemíku i dalších polovodičů, výsledkem čehož může být materiál s lepšími vlastnostmi pro určité aplikace v elektronice. Přitom se řetězec atomů prodlouží až třeba o 1 %. Nová studie vychází z několika let výzkumů, kdy se vědci pomocí mechanického namáhání pokoušeli deformovat krystalickou mřížku materiálu, aniž by ji ovšem rozbili. Výsledkem těchto deformací mohou být kromě změn vodivosti také změny tepelných nebo optických vlastností.
V případě diamantu se ukázalo, že jehličky diamantu o nanometrových velikostech lze nejen natahovat či stlačovat, ale také ohýbat. Přitom se nelámou a dají se zase neporušené vrátit do původního tvaru.
Diamant má normálně zakázaný pás široký 5,6 eV, ale při ohýbání jehličky jej lze snižovat až k nule a nastavit tak vlastnosti materiálu na polovodič nebo i kov. Příslušnou hodnotu lze přitom naladit přesně, takže z diamant se může stát obdobou křemíku, germania nebo třeba nitridu gallia (gallitého). Technologové tak dostanou zřejmě do rukou velmi silná nástroj, jak navrhovat materiály cílené pro konkrétní aplikace.
Vodivost závisí na míře ohnutí (mechanického namáhání). V jednom kusu diamantu lze vytvářet i gradient různého ohýbání, s různou vodivostí i dalšími vlastnostmi. Na tomto základě by se třeba dal postavit solární článek zachycující celé spektrum na jediném zařízení. To se dnes dá zařídit jen poměrně komplikovaně pomocí kombinace různých materiálů, s více vrstvami, vlastně už pak jde o kombinaci více zařízení spíše než jediný solární článek.
Z diamantu se dají vytvořit polovodiče obou typů, přímé i nepřímé (dělení dle toho, zda při přeskoku dochází ke změně hybnosti nositele náboje; u nepřímých, jako je křemík, musí do hry vstoupit další částice, např. fonon. Pro solární články jsou např. efektivnější přímé polovodiče.).
Samotný proces úpravy diamantu vyžaduje řídit nejen samotné ohýbání, ale je třeba přesně stavit i jehlici – orientaci krystalové mřížky; jinak se diamant při namáhání může přeměnit na grafit. Výhodou je, že ohýbání tam a zpět může probíhat v reálném čase.
Celá řada dalších, dosud neprozkoumaných aplikací může zahrnovat podobné triky i s diamantem, který bude dopován dalšími atomy.
Ilustrační video z Youtube
Zhe Shi el al., „Metallization of diamond,“ PNAS (2020). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2013565117
Zdroj: Massachusetts Institute of Technology/Phys.org
