Исследование, хотя оно все еще находится на ранней стадии подтверждения концепции, может открыть широкий спектр потенциальных приложений, включая новые виды широкополосных солнечных элементов, высокоэффективные светодиоды и силовую электронику, а также новые оптические устройства или квантовые датчики, считают исследователи. сказать.
Их выводы, основанные на моделировании, расчетах и предыдущих экспериментальных результатах, опубликованы на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Статья написана профессором Массачусетского технологического института Цзюй Ли и аспирантом Чжэ Ши; Главный научный сотрудник Мин Дао; Профессор Субра Суреш, президент Технологического университета Наньян в Сингапуре, а также бывший декан инженерных наук и почетный профессор Ванневара Буша в Массачусетском технологическом институте; и Евгений Цымбалов и Александр Шапеев в Сколковском институте науки и технологий в Москве.
Команда использовала комбинацию квантово-механических расчетов, анализа механической деформации и машинного обучения, чтобы продемонстрировать, что явление, долгое время считавшееся возможным, действительно может происходить в наноразмерном алмазе.
Концепция деформации полупроводникового материала, такого как кремний, для улучшения его характеристик нашла применение в индустрии микроэлектроники более двух десятилетий назад. Однако этот подход повлек за собой небольшие деформации порядка 1%. Ли и его сотрудники потратили годы на разработку концепции инженерии упругих деформаций.
Это основано на способности вызывать значительные изменения электрических, оптических, термических и других свойств материалов, просто деформируя их – подвергая их механической деформации от умеренной до большой, достаточной для изменения геометрического расположения атомов в кристалле материала. решетка, но без нарушения этой решетки.
Важным достижением 2018 года стало то, что команда под руководством Суреша, Дао и Лу Янга из Политехнического университета Гонконга показала, что крошечные алмазные иглы диаметром всего несколько сотен нанометров можно сгибать без разрушения при комнатной температуре до больших деформаций.
Они смогли многократно сгибать эти наноиглы до деформации растяжения до 10 процентов; после этого иглы могут вернуться в исходную форму.
Ключом к этой работе является свойство, известное как запрещенная зона, которая по существу определяет, насколько легко электроны могут перемещаться через материал. Таким образом, это свойство является ключевым для электропроводности материала.
У алмаза обычно очень широкая запрещенная зона – 5.6 электрон-вольт, что означает, что это сильный электрический изолятор, через который электроны не проходят легко. В своих последних симуляциях исследователи показывают, что запрещенная зона алмаза может постепенно, непрерывно и обратимо изменяться, обеспечивая широкий диапазон электрических свойств, от изолятора через полупроводник до металла.
"Мы обнаружили, что можно уменьшить ширину запрещенной зоны с 5.6 электрон-вольт до нуля, – говорит Ли. "Дело в том, что если вы можете непрерывно менять с 5.От 6 до 0 электронвольт, тогда вы покрываете весь диапазон запрещенных зон.
С помощью инженерии деформации вы можете сделать алмаз с запрещенной зоной кремния, который наиболее широко используется в качестве полупроводника, или нитрида галлия, который используется для светодиодов. Вы даже можете сделать его инфракрасным детектором или обнаруживать весь спектр света от инфракрасной до ультрафиолетовой части спектра."
«Возможность конструировать и проектировать электропроводность алмаза без изменения его химического состава и стабильности обеспечивает беспрецедентную гибкость для индивидуального проектирования его функций», – говорит Суреш. «Методы, продемонстрированные в этой работе, могут быть применены к широкому кругу других полупроводниковых материалов, представляющих технологический интерес в механике, микроэлектронике, биомедицине, энергетике и фотонике, с помощью инженерии деформации."
Так, например, один крошечный кусок алмаза, изогнутый так, что он имеет градиент деформации поперек него, может стать солнечным элементом, способным улавливать все частоты света на одном устройстве – то, что в настоящее время может быть достигнуто только с помощью тандемные устройства, которые соединяют слои различных материалов солнечных элементов вместе, чтобы объединить их различные полосы поглощения. Когда-нибудь они могут быть использованы в качестве фотоприемников широкого спектра для промышленных или научных приложений.
Одно ограничение, которое требовало не только правильной степени деформации, но и правильной ориентации кристаллической решетки алмаза, заключалось в том, чтобы не допустить, чтобы деформация заставляла атомную конфигурацию пересекать точку опрокидывания и превращаться в графит, мягкий материал, используемый в карандашах.
В процессе также можно сделать из алмаза два типа полупроводников, либо «прямые», либо «непрямые» полупроводники с запрещенной зоной, в зависимости от предполагаемого применения.
Для солнечных элементов, например, прямая запрещенная зона обеспечивает гораздо более эффективный сбор энергии от света, что позволяет им быть намного тоньше, чем материалы, такие как кремний, непрямая запрещенная зона которого требует гораздо более длинного пути для сбора энергии фотона.
Ли предполагает, что этот процесс может быть актуален для самых разных потенциальных приложений, например, для высокочувствительных квантовых детекторов, использующих дефекты и легирующие атомы в алмазе. «Используя деформацию, мы можем контролировать уровни излучения и поглощения этих точечных дефектов», – говорит он, открывая новые способы управления их электронными и ядерными квантовыми состояниями.
Но, учитывая большое разнообразие условий, которые стали возможными благодаря различным параметрам вариаций деформации, Ли говорит, «если мы имеем в виду конкретное приложение, то мы могли бы оптимизировать его для достижения этой цели.
И что хорошо в подходе к упругому деформированию, так это то, что он является динамичным, «так что его можно непрерывно изменять в реальном времени по мере необходимости.
Исследователи говорят, что эта ранняя стадия проверки концепции еще не на той стадии, когда они могут приступить к разработке практических устройств, но с текущими исследованиями они ожидают, что практические приложения могут быть возможны, отчасти из-за выполняемой многообещающей работы. во всем мире по выращиванию однородных алмазных материалов.
Работа поддержана U.S.
Управление военно-морских исследований.