用金刚石作金属导体

长期以来，钻石被认为是所有天然材料中最坚硬的，它也是特殊的热导体和电绝缘体。麻省理工学院(MIT)的研究人员发现了一种方法，以可控的方式调整微小的钻石针，以改变它们的电子特性，将它们从绝缘、通过半导体一直连接到高导电或金属。这可以动态诱导和随意逆转，而不降解金刚石材料。

这项研究虽然仍处于早期概念验证阶段，但可能开辟了广泛的潜在应用，包括新型宽带太阳能电池，高效的LED和电力电子和新的光学器件或量子传感器。

该团队使用了量子力学计算的组合，机械变形分析，以及机器学习，证明现象，长度理论为可能，真的可以发生在纳米钻石中。

20多年前，在微电子工业中发现了通过拉伸半导体材料(如硅)来改善其性能的概念。然而，这种方法带来了大约1%的小压力。麻省理工学院(MIT)教授鞠力(Ju Li)和他的合作者花了数年时间发展弹性应变工程的概念。这是基于电造成重大变化的能力,光,热,和其他属性的材料通过变形——让他们在中度到大型机械应变,足以改变几何材料晶格的原子排列,但没有破坏,晶格。

在2018年的一个重大进展中，一支球队展示了钻石的微小针，只有几百纳米，可以在室温下没有骨折到大菌株弯曲。它们能够反复将这些纳米龙头弯曲成拉伸应变，高达10％;然后，针可以完好地返回原始形状。

这项工作的关键是一种被称为带隙的特性，它从本质上决定了电子通过材料的容易程度。这种性质是材料导电性的关键。通常，金刚石具有5.6电子V的宽带隙，这意味着它是一种电子不易通过的强电绝缘体。在最新的模拟中，研究人员表明，金刚石的带隙可以逐渐、连续和可逆地改变，提供从绝缘体到半导体到金属的广泛的电性能。

“我们发现可以将带隙从5.6电子V一直减小到零，”Li说。“重点是，如果你能连续地从5.6电子V改变到0电子V，那么你就覆盖了所有能带范围。通过应变工程，你可以使金刚石具有硅的带隙，这是最广泛地用作半导体，或氮化镓，这是用于led。你甚至可以把它变成红外探测器，或者探测光谱中从红外线到紫外线的整个范围。”

新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University)校长苏博拉·苏雷什(Subra Suresh)表示:“在不改变金刚石化学成分和稳定性的情况下，设计和设计其导电性的能力，为定制设计其功能提供了前所未有的灵活性。”“通过应变工程，这项工作中演示的方法可以应用于机械、微电子、生物医学、能源和光子学应用领域的其他广泛的半导体材料。”

例如，一小块弯曲的钻石，使其具有应变梯度，就可以成为太阳能电池，能够在单个设备上捕获所有频率的光目前只能通过串联装置来实现，这种装置将不同种类的太阳能电池材料分层连接在一起，以组合它们不同的吸收带。有一天，它们可能会被用作工业或科学应用的广谱光电探测器。

一个限制条件是，不仅需要合适的应变量，还需要金刚石晶体晶格的正确方向，这是为了防止应变导致原子结构越过临界点，变成石墨，即用于铅笔的软材料。

该工艺还可以将钻石制成两种类型的半导体，“直接”或“间接”带隙半导体，这取决于预期的应用。例如，对于太阳能电池来说，直接带隙提供了更有效的光能量收集，使其比硅等材料更薄，而硅的间接带隙需要更长的路径来收集光子的能量。

Li认为，这一过程可能与各种各样的潜在应用有关，比如利用金刚石中的缺陷和掺杂原子的高灵敏度量子探测器。“利用张力，我们可以控制这些点缺陷的发射和吸收水平，”他说，这使得控制它们电子和核量子态的新方法成为可能。

但考虑到应变变化的不同维度所带来的各种可能条件，李说，“如果我们有一个特定的应用，那么我们可以朝着这个应用目标进行优化。弹性应变方法的优点在于它是动态的，“因此它可以根据需要实时不断变化。”

这种早期概念验证工作还没有在他们可以开始设计实用的设备,研究人员说,但随着持续的研究,他们预计,实际应用可能,部分原因是因为世界各地的有前途的工作被完成在齐次金刚石材料的生长。

麻省理工学院

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-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE Media and Technology，cvavra@cfemedia.com．