Länge känt som det hårdaste av alla naturmaterial, Diamanter är också exceptionella värmeledare och elektriska isolatorer. Nu, forskare har upptäckt ett sätt att justera små diamantnålar på ett kontrollerat sätt för att omvandla deras elektroniska egenskaper, ringa upp dem från isolering, genom halvledande, hela vägen till mycket ledande, eller metallisk. Detta kan induceras dynamiskt och vända efter behag, utan nedbrytning av diamantmaterialet.

Forskningen, men fortfarande i ett tidigt proof-of-concept-stadium, kan öppna upp ett brett spektrum av potentiella applikationer, inklusive nya typer av bredbandssolceller, högeffektiva lysdioder och kraftelektronik, och nya optiska enheter eller kvantsensorer, säger forskarna.

Deras resultat, som är baserade på simuleringar, beräkningar, och tidigare experimentella resultat, rapporteras denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences . Uppsatsen är av MIT professor Ju Li och doktorand Zhe Shi; Huvudforskare Ming Dao; Professor Subra Suresh, som är president för Nanyang Technological University i Singapore samt tidigare dekanus för ingenjörsvetenskap och Vannevar Bush professor emeritus vid MIT; och Evgenii Tsymbalov och Alexander Shapeev vid Skolkovo Institute of Science and Technology i Moskva.

Teamet använde en kombination av kvantmekaniska beräkningar, analyser av mekanisk deformation, och maskininlärning för att visa att fenomenet, länge teoretiserat som en möjlighet, verkligen kan förekomma i nanostor diamant.

Konceptet att anstränga ett halvledarmaterial som kisel för att förbättra dess prestanda fann tillämpningar inom mikroelektronikindustrin för mer än två decennier sedan. Dock, det tillvägagångssättet innebar små påfrestningar i storleksordningen cirka 1 procent. Li och hans medarbetare har ägnat år åt att utveckla konceptet för elastisk töjningsteknik. Detta är baserat på förmågan att orsaka betydande förändringar i den elektriska, optisk, termisk, och andra egenskaper hos material helt enkelt genom att deformera dem – utsätta dem för måttlig till stor mekanisk belastning, tillräckligt för att ändra det geometriska arrangemanget av atomer i materialets kristallgitter, men utan att störa det gallret.

I ett stort framsteg under 2018, ett team ledd av Suresh, Dao, och Lu Yang från Polytechnic University of Hong Kong visade att små nålar av diamant, bara några hundra nanometer tvärs över, kunde böjas utan brott vid rumstemperatur till stora påkänningar. De kunde upprepade gånger böja dessa nanonålar till en dragspänning så mycket som 10 procent; nålarna kan sedan återgå intakta till sin ursprungliga form.

Nyckeln till detta arbete är en egenskap som kallas bandgap, som i huvudsak avgör hur lätt elektroner kan röra sig genom ett material. Denna egenskap är alltså nyckeln till materialets elektriska ledningsförmåga. Diamond har normalt ett mycket brett bandgap på 5,6 elektronvolt, vilket betyder att det är en stark elektrisk isolator som elektroner inte går igenom lätt. I sina senaste simuleringar, forskarna visar att diamantens bandgap kan gradvis, kontinuerligt, och reversibelt förändrats, tillhandahåller ett brett utbud av elektriska egenskaper, från isolator via halvledare till metall.

"Vi fann att det är möjligt att minska bandgapet från 5,6 elektronvolt hela vägen till noll, " säger Li. "Poängen med detta är att om du kan ändra kontinuerligt från 5,6 till 0 elektronvolt, då täcker du alla bandluckor. Genom strain engineering, du kan få diamant att ha bandgapet av kisel, som används mest som halvledare, eller galliumnitrid, som används för lysdioder. Du kan till och med få den att bli en infraröd detektor eller detektera en hel rad ljus hela vägen från den infraröda till den ultravioletta delen av spektrumet."

"Förmågan att konstruera och designa elektrisk ledningsförmåga i diamant utan att ändra dess kemiska sammansättning och stabilitet erbjuder oöverträffad flexibilitet för att skräddarsy dess funktioner, " säger Suresh. "De metoder som demonstreras i detta arbete kan tillämpas på ett brett spektrum av andra halvledarmaterial av tekniskt intresse inom mekaniska, mikroelektronik, biomedicinska, energi- och fotoniktillämpningar, genom strain engineering."

Så, till exempel, en enda liten diamantbit, böjd så att den har en töjningsgradient över sig, skulle kunna bli en solcell som kan fånga alla frekvenser av ljus på en enda enhet – något som för närvarande bara kan uppnås genom tandemenheter som kopplar samman olika typer av solcellsmaterial i lager för att kombinera deras olika absorptionsband. Dessa kan en dag användas som bredspektrum fotodetektorer för industriella eller vetenskapliga tillämpningar.

En begränsning, som inte bara krävde rätt mängd påkänning utan också rätt orientering av diamantens kristallina gitter, var att förhindra stammen från att få atomkonfigurationen att korsa en tipppunkt och förvandlas till grafit, det mjuka materialet som används i pennor.

Processen kan också göra diamant till två typer av halvledare, antingen "direkta" eller "indirekta" bandgap-halvledare, beroende på den avsedda tillämpningen. För solceller, till exempel, direkta bandgap ger en mycket effektivare insamling av energi från ljus, så att de kan vara mycket tunnare än material som kisel, vars indirekta bandgap kräver en mycket längre väg för att samla in en fotons energi.

Processen kan vara relevant för en mängd olika potentiella tillämpningar, Li föreslår, som för högkänsliga kvantbaserade detektorer som använder defekter och dopningsatomer i en diamant. "Med hjälp av påfrestning, vi kan kontrollera emissions- och absorptionsnivåerna för dessa punktdefekter, " han säger, tillåter nya sätt att kontrollera sina elektroniska och kärnkraftskvanttillstånd.

Men med tanke på den stora variationen av förhållanden som möjliggörs av de olika dimensionerna av töjningsvariationer, Li säger, "om vi har en speciell tillämpning i åtanke, då kan vi optimera mot det applikationsmålet. Och det som är bra med den elastiska töjningsmetoden är att den är dynamisk, " så att den kontinuerligt kan varieras i realtid efter behov.

Detta tidiga proof-of-concept-arbete är ännu inte vid den punkt där de kan börja designa praktiska enheter, forskarna säger, men med den pågående forskningen förväntar de sig att praktiska tillämpningar kan vara möjliga, delvis på grund av ett lovande arbete som görs runt om i världen för att växa homogena diamantmaterial.