將鑽石轉化為金屬——用於改進太陽能電池、led燈和電力電子設備

在新的理論模型中，金剛石通常是絕緣體，在大應變作用下變成金屬導體。

研究人員發現了一種改變納米級金剛石針的電子特性的方法。新聞來源:麻省理工學院

長期以來，鑽石被認為是所有天然材料中最堅硬的，它也是特殊的導熱體和電絕緣體。現在，研究人員發現了一種方法，可以用可控的方式調整微小的鑽石針，以改變它們的電子特性，使它們從絕緣變為半導體，一直變為高導電或金屬。這可以被動態誘導和任意逆轉，而不退化的金剛石材料。

研究人員說，儘管這項研究仍處於概念驗證的早期階段，但它可能會開啟一系列廣泛的潛在應用，包括新型寬帶太陽能電池、高效led和電力電子設備，以及新的光學設備或量子傳感器。

他們的發現是基於模擬、計算和先前的實驗結果，並於2020年10月5日發表在《美國國家科學院院刊》上。本文由麻省理工學院李菊教授和研究生石哲撰寫;首席研究科學家Ming Dao;新加坡南洋理工大學(Nanyang Technological University)校長、前麻省理工學院(MIT)工程系主任、Vannevar Bush名譽教授蘇雷什(Subra Suresh);以及莫斯科斯科爾科沃科技學院的葉夫根尼·琴姆巴洛夫和亞歷山大·沙佩夫。

該團隊結合量子力學計算、機械變形分析和機器學習來證明這種長期理論化的可能性，確實可以發生在納米尺寸的金剛石中。

20多年前，通過擠壓矽等半導體材料來改善其性能的概念在微電子行業得到了應用。然而，這種方法帶來了大約1%左右的小壓力。李和他的合作者花了數年時間來發展彈性應變工程的概念。這是基於電造成重大變化的能力,光,熱,和其他屬性的材料通過變形——讓他們在中度到大型機械應變,足以改變幾何材料晶格的原子排列,但沒有破壞,晶格。

2018年，由香港城市大學的Suresh、Dao和Yang Lu領導的團隊取得了一項重大進展，他們發現直徑只有幾百納米的微小鑽石針可以在室溫下彎曲而不斷裂，產生大的應變。他們能夠反覆彎曲這些納米針，使其張力達到10%;針可以完好無損地恢復到原來的形狀。

這項工作的關鍵是一種被稱為帶隙的性質，它本質上決定了電子穿過材料的容易程度。因此，這種性質是材料導電率的關鍵。金剛石通常有一個非常寬的帶隙5.6電子伏特，這意味著它是一個強大的電氣絕緣體，電子不容易通過。在他們最新的模擬中，研究人員表明，金剛石的帶隙可以逐漸地、連續地、可逆地改變，提供了從絕緣體到半導體到金屬的廣泛的電學特性。

「我們發現有可能將帶隙從5.6電子伏特一直減小到零，」李說。「關鍵在於，如果你能連續地從5.6到0電子伏特變化，那麼你就能覆蓋所有的帶隙。通過應變工程，你可以使金剛石具有作為半導體最廣泛使用的矽或用於led的氮化鎵的帶隙。你甚至可以把它變成一個紅外探測器，或者探測光譜中從紅外到紫外線的所有範圍的光。」

Suresh說:「在不改變鑽石化學成分和穩定性的情況下，設計和設計鑽石的導電性，這為定製鑽石的功能提供了前所未有的靈活性。」「通過應變工程，在這項工作中展示的方法可以應用到機械、微電子、生物醫學、能源和光子學應用領域的其他半導體材料的廣泛領域。」

舉個例子,一個小塊鑽石,彎曲,這樣它的應變梯度,將成為太陽能電池能夠捕捉所有頻率的光在一個設備,目前只能通過串聯裝置在幾個不同類型的太陽能電池材料層結合他們不同的吸收光譜。這些可能有一天被用作工業或科學應用的廣譜光電探測器。

其中一個限制條件不僅要求適當的應變量，而且要求金剛石晶體晶格的正確方向，這是為了防止應變導致原子結構越過臨界點，變成石墨，鉛筆中使用的軟材料。

該工藝還可以使金剛石變成兩種類型的半導體，「直接」或「間接」帶隙半導體，取決於預期的應用。例如，對於太陽能電池來說，直接帶隙能更有效地收集光的能量，使它們比矽等材料薄得多，而矽等材料的間接帶隙需要更長的路徑來收集光子能量。

李認為，這一過程可能會有廣泛的潛在應用，比如使用金剛石中的缺陷和摻雜原子的高靈敏度量子探測器。「利用應變，我們可以控制這些點缺陷的發射和吸收水平，」他說，這使得控制它們的電子和核量子態的新方法成為可能。

但是考慮到不同維度的應變變化所帶來的巨大變化，李說，「如果我們心中有一個特定的應用，那麼我們就可以優化應用目標。」彈性應變方法的優點是它是動態的，「因此它可以根據需要實時地持續變化。」

這種早期概念驗證工作還沒有在他們可以開始設計實用的設備,研究人員說,但隨著持續的研究,他們預計,實際應用可能,部分原因是因為世界各地的有前途的工作被完成在齊次金剛石材料的生長。