将钻石转化为金属-用于改进太阳能电池,led和电力电子

纳米金刚石针的电子性质

研究人员发现了一种改变纳米级金刚石针电子性质的方法。新闻来源:麻省理工学院

通常,在新的理论模型中受到大应变的情况下,金刚石成为金刚石。

长期以来,钻石被认为是所有天然材料中最坚硬的,也是特殊的热导体和电绝缘体。现在,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,以改变它们的电子性质,使它们从绝缘、通过半导体一直到高导电或金属。这可以动态诱导和随意逆转,而不降解金刚石材料。

研究人员说,这项研究虽然仍处于概念验证的早期阶段,但可能会开辟一系列广泛的潜在应用,包括新型宽带太阳能电池、高效led和电力电子,以及新的光学设备或量子传感器。

他们的发现,基于模拟,计算和以前的实验结果,于2020年10月5日发表于此国家科学院的诉讼程序。论文是麻省理工学院刘李教授和研究生Zhe Shi;首席研究科学家明道;Subra Suresh教授,他是新加坡南洋科技大学总裁,以及工程师前院长和Vannevar布什的emeritus教授;在莫斯科Skolkovo科学技术研究所的evgenii Tsymbalov和亚历山大Shapeev。

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。李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。

2018年的一项重大进展是,香港城市大学的苏雷什、道和吕杨领导的一个团队表明,直径只有几百纳米的微小钻石针可能是没有骨折弯曲在室温下到大菌株。他们能够反复地将这些纳米针弯曲到拉伸应变的10%;然后这些针就可以完整地恢复到原来的形状。

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。因此,这一特性是材料导电性的关键。金刚石通常有一个非常宽的5.6电子伏的带隙,这意味着它是一个强电绝缘体,电子不容易通过。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电子伏一直减小到零,”李说。“重点是,如果你能连续地从5.6电子伏改变到0电子伏,那么你就覆盖了所有的带隙范围。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。”

Suresh说:“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。

参考文献:《钻石的金属化》,作者:石喆,道明,Evgenii Tsymbalov, Alexander Shapeev, Ju Li and Subra Suresh, 2020年10月5日,美国国家科学院院刊
DOI: 10.1073 / pnas.2013565117

这项工作得到了美国海军研究办公室的支持。

1评论关于“将钻石转化为金属——用于改进太阳能电池、led和电力电子”

  1. 很有意思。

    对Strain Engineering可能的建议。

    1.看看其他的晶体材料,而不是昂贵的相对罕见的版本的碳,保持他们的晶体结构,并允许这样的应用成为一个实际的依靠。这样的物质应该在自然界中大量存在,并使理论和工业应用成为现实。不仅在元素周期表的第14列,而且在其他可能改变其性质的光谱范围的元素中也有。
    2.就像冷热融合一样,理论可能存在这些材料可以存在或者可以在工业用途中以用于掩盖理论,以暗示在用于用途的大型神圣的实际现实。

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