Физики нашли способ превратить алмаз в металл

Алмаз можно превратить в металл или полупроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Для этого один из самых твёрдых в мире материалов достаточно… согнуть. Новый подход можно использовать для создания продвинутой электроники.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале PNAS.

В 2018 году команда во главе с Саброй Суреш (Subra Suresh) из Наньянского технологического университета в Сингапуре вырастила гибкие, как резина, алмазы. Драгоценный материал в руках исследователей принял форму игл диаметром всего 0,3 микрометра. Такую иглу можно согнуть, растянув её при этом на 9%, и она не сломается. Это небывалое качество для алмаза, известного своей хрупкостью.

Теперь Суреш вместе с коллегами из Массачусетского технологического института (США) и Сколковского института науки и технологий (Россия) получил ещё один невероятный результат. Учёные обнаружили, что материал такой деформированной иглы может превратиться из изолятора в полупроводник, а потом и в металл. Правда, пока это продемонстрировано только в компьютерном моделировании.

Будет ли материал проводить ток, зависит от так называемой ширины запрещённой зоны. Это энергия, которую нужно придать электрону в атоме, чтобы он покинул окрестности родного ядра и отправился в путешествие по кристаллу. Напомним, что электрический ток – это и есть упорядоченное движение электронов.

У металлов ширина запрещённой зоны равна нулю. Электрон, образно говоря, всегда готов собраться в дорогу. Поэтому металлы и славятся как превосходные проводники.

У полупроводников ширина запрещённой зоны больше нуля, но ненамного (например, у кремния около 1,2 электрон-вольта). Они проводят ток гораздо хуже металлов, зато из них можно делать различные электронные компоненты, прежде всего транзисторы.

Если же запрещённая зона ещё шире, перед нами диэлектрик, то есть изолятор. Он практически не проводит электрический ток.

Алмазные наноиглы и острие деформирующего их инструмента. Изображение, полученное с помощью электронного микроскопа.

Алмаз с его запрещённой зоной в 5,6 электрон-вольта находится на границе между полупроводниками и диэлектриками. Обычно он всё-таки считается изолятором, хотя можно рассматривать его и как плохой полупроводник.

Однако деформация может всё изменить. Она меняет расположение атомов в кристаллической решётке, а вместе с ним и силы, действующие на электроны.

Отметим, что деформация нередко используется для изменения электрических свойств материала. Но обычно речь идёт о небольшой деформации (около 1%). Это несколько меняет электропроводность, к примеру, кремния.

Авторы новой работы впервые показали, что таким путём свойства вещества можно изменить радикально: сделать его из диэлектрика полупроводником, а при самой большой деформации – металлом.

По мере изгибания алмазной иглы ширина запрещённой зоны плавно уменьшается и в конце концов становится равной нулю. При этом, по расчётам физиков, игла не сломается и алмаз не превратится в графит.

Интересно, что это превращение полностью обратимо: распрямившаяся игла восстанавливает свои обычные электрические свойства.

Из алмаза с подходящей шириной запрещённой зоны можно сделать практически что угодно. Например, транзистор, яркий светодиод или фотоэлемент, преобразующий падающее на него излучение в электрический ток.

Также деформированные наноалмазы могут стать основой сверхчувствительных квантовых датчиков.

Напомним, что физики получили алмазные наноиглы не из драгоценных бриллиантов. Материалом послужил углерод в куда более дешёвой форме. Есть надежда, что алмазная электроника окажется достаточно недорогой в производстве. А это значит, что мы вполне можем стоять на пороге новой революции в высоких технологиях.