鉆石一直以來都是最堅(jiān)硬的全天然材料，也是出色的導(dǎo)熱體和電絕緣體。現(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種以可控的方式微調(diào)鉆石小針的方法，以改變其電子特性，使它們從絕緣(通過半導(dǎo)體)一直變?yōu)楦邔?dǎo)電性或金屬性。這可以動(dòng)態(tài)地誘發(fā)，并且可以任意地逆轉(zhuǎn)，而不會(huì)破壞金剛石材料。

盡管這項(xiàng)研究仍處于概念驗(yàn)證的早期階段，但它可能會(huì)開拓廣泛的潛在應(yīng)用，包括新型寬帶太陽能電池，高效LED和電力電子設(shè)備以及新型光學(xué)器件或量子傳感器。說。

他們的發(fā)現(xiàn)基于模擬，計(jì)算和先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在《美國國家科學(xué)院院刊》上已有報(bào)道。 該 論文是由麻省理工學(xué)院的鞠莉教授和研究生哲哲撰寫的。首席研究員明道;Subra Suresh教授是新加坡南洋理工大學(xué)的校長，也是麻省理工學(xué)院的前工程系主任兼Vannevar Bush榮譽(yù)教授。莫斯科斯科爾科沃科技學(xué)院的Evgenii Tsymbalov和Alexander Shapeev。

該團(tuán)隊(duì)結(jié)合使用了量子力學(xué)計(jì)算，機(jī)械變形分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，證明了這種現(xiàn)象(長期以來被認(rèn)為是可能的)確實(shí)會(huì)在納米級(jí)鉆石中發(fā)生。

應(yīng)變硅等半導(dǎo)體材料以改善其性能的概念已經(jīng)在二十多年前的微電子行業(yè)中得到了應(yīng)用。但是，這種方法需要大約1%的小應(yīng)變。李和他的合作者花了多年的時(shí)間來開發(fā)彈性應(yīng)變工程的概念。這是基于能夠通過使材料變形而引起材料的電，光，熱和其他特性發(fā)生重大變化的能力-將它們置于中等到較大的機(jī)械應(yīng)變下，足以改變材料晶格中原子的幾何排列，但不會(huì)破壞該晶格。

在2018年的一項(xiàng)重大進(jìn)展中，香港理工大學(xué)的Suresh，Dao和Lu Yang領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)表明，只有幾百納米寬的微小鉆石針 在室溫下可以 彎曲而不會(huì)破裂，從而產(chǎn)生大應(yīng)變。他們能夠反復(fù)彎曲這些納米針至10%的拉伸應(yīng)變。然后，針可以恢復(fù)原樣。

這項(xiàng)工作的關(guān)鍵是一種被稱為帶隙的特性 ，它本質(zhì)上決定了電子在材料中移動(dòng)的容易程度。因此，此屬性是材料電導(dǎo)率的關(guān)鍵。金剛石通常具有5.6電子伏特的非常寬的帶隙，這意味著它是電子不易移動(dòng)的強(qiáng)電絕緣體。在最新的模擬中，研究人員表明，金剛石的帶隙可以逐漸，連續(xù)和可逆地改變，從而提供了從絕緣體到半導(dǎo)體再到金屬的各種電氣特性。

“我們發(fā)現(xiàn)可以將帶隙從5.6電子伏特降低到零。” Li說。“這一點(diǎn)是，如果您可以將電子伏特從5.6伏特連續(xù)改變到0伏特，那么您將覆蓋所有帶隙范圍。通過應(yīng)變工程，您可以使金剛石具有最廣泛用作半導(dǎo)體的硅或氮化鎵(用于LED)的帶隙。您甚至可以使其成為紅外檢測(cè)器，或者檢測(cè)從光譜的紅外到紫外部分的整個(gè)范圍的光。”

Suresh說：“在不改變其化學(xué)成分和穩(wěn)定性的情況下進(jìn)行金剛石電導(dǎo)率工程設(shè)計(jì)的能力為定制功能提供了前所未有的靈活性。” “通過應(yīng)變工程，這項(xiàng)工作中展示的方法可以應(yīng)用于機(jī)械，微電子，生物醫(yī)學(xué)，能源和光子學(xué)應(yīng)用中的技術(shù)感興趣的其他多種半導(dǎo)體材料。”

因此，例如，一塊很小的鉆石經(jīng)過彎曲使其在其上具有一定的應(yīng)變梯度，就可以成為能夠在單個(gè)設(shè)備上捕獲所有頻率的光的太陽能電池，而這目前只能通過串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。將不同種類的太陽能電池材料分層耦合在一起以組合其不同吸收帶的設(shè)備。這些有朝一日可用作工業(yè)或科學(xué)應(yīng)用的廣譜光電探測(cè)器。

一個(gè)約束條件不僅需要適當(dāng)?shù)膽?yīng)變量，而且還要求鉆石晶格的正確方向，它是防止應(yīng)變導(dǎo)致原子構(gòu)型越過臨界點(diǎn)并變成石墨(一種鉛筆所用的軟質(zhì)材料)。

根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用，該工藝還可以將金剛石制成兩種類型的半導(dǎo)體，即“直接”或“間接”帶隙半導(dǎo)體。例如，對(duì)于太陽能電池，直接帶隙可提供更有效的光能收集，使其比硅等材料薄得多，硅的間接帶隙需要更長的路徑來收集光子能量。

李建議，該過程可能與各種各樣的潛在應(yīng)用有關(guān)，例如，對(duì)于使用金剛石中的缺陷和摻雜原子的高度敏感的基于量子的探測(cè)器。他說：“利用應(yīng)變，我們可以控制這些點(diǎn)缺陷的發(fā)射和吸收水平。”他提出了控制其電子和核量子態(tài)的新穎方法。

但是，由于應(yīng)變變化的不同維度使條件多樣化，李說，“如果我們考慮到特定的應(yīng)用，那么我們可以朝著該應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。彈性應(yīng)變方法的優(yōu)點(diǎn)在于它是動(dòng)態(tài)的，因此可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)地連續(xù)變化。

研究人員說，這種早期的概念驗(yàn)證工作尚不能開始設(shè)計(jì)實(shí)用的設(shè)備，但是隨著正在進(jìn)行的研究，他們希望可以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，部分原因是有前途的工作正在開展。在全球范圍內(nèi)對(duì)均質(zhì)金剛石材料的生長進(jìn)行的研究。