作者:大卫·L
麻省理工学院钱德勒 承受可逆弹性弯曲变形的金刚石纳米针的扫描电镜图像
学分:阿米特·班纳吉(日本京都大学)、鲁旸(香港九龙城市大学)、明道(马萨诸塞州剑桥理工学院)和苏布拉·苏雷什(新加坡南洋理工大学) 钻石长期以来被认为是所有天然材料中最坚硬的，同时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，可以以可控的方式调整微小的钻石针，以改变它们的电子特性，将它们从绝缘、半导体一直调整到高导电或金属
这可以被动态诱导并随意逆转，而不会使金刚石材料退化
研究人员说，这项研究虽然仍处于概念验证的早期阶段，但可能会带来广泛的潜在应用，包括新型宽带太阳能电池、高效发光二极管和电力电子器件，以及新的光学设备或量子传感器
他们的发现基于模拟、计算和先前的实验结果，并于本周发表在《美国国家科学院院刊》上
论文由麻省理工学院教授居里和研究生师哲撰写；首席研究科学家明道；苏雷什(Subra Suresh)教授，他是新加坡南洋理工大学的校长，也是麻省理工学院的前工程学院院长和万尼瓦尔·布什(Vannevar Bush)荣誉退休教授；莫斯科斯科尔科沃科技学院的叶夫根尼·齐姆巴洛夫和亚历山大·沙佩夫
该团队结合了量子力学计算、机械变形分析和机器学习，证明了这种长期以来被理论化为一种可能性的现象确实可以发生在纳米金刚石中
二十多年前，通过对硅等半导体材料进行应变来提高其性能的概念在微电子工业中得到了应用
然而，这种方法需要大约1%的小应变
李和他的合作者花了数年时间发展弹性应变工程的概念
这是基于简单地通过使材料变形就能导致材料的电、光、热和其他特性发生显著变化的能力——将它们置于中等至大的机械应变下，足以改变材料晶格中原子的几何排列，但不会破坏晶格
在2018年的一项重大进展中，由香港理工大学的苏雷什、道和领导的团队发现，直径只有几百纳米的微小钻石针，在室温下可以弯曲而不会因大应变而断裂
他们能够将这些纳米针反复弯曲到10%的拉伸应变；然后，针头可以完好无损地恢复到原来的形状
根据新加坡南洋理工大学(NTU新加坡)和美国麻省理工学院(麻省理工学院)领导的一个国际科学家小组的研究预测，当钻石在纳米尺度上变形时，它可以像金属一样导电
信用:NTU新加波 这项工作的关键是一个被称为带隙的属性，它本质上决定了电子在材料中的移动速度
因此，这种特性是材料导电性的关键
金刚石通常具有5的非常宽的带隙
6电子伏，这意味着它是一个强电绝缘体，电子不容易通过
在他们的最新模拟中，研究人员表明，钻石的带隙可以逐渐、连续、可逆地变化，提供从绝缘体到半导体再到金属的各种电学特性
“我们发现有可能将带隙从5
6电子伏一直到零，”李说
“关键是如果你能从5
6到0电子伏特，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，这是最广泛使用的半导体，或氮化镓，这是用于发光二极管
你甚至可以把它变成一个红外探测器，或者从光谱的红外到紫外部分探测整个范围的光
" 苏雷什说:“在不改变钻石的化学成分和稳定性的情况下，设计和制造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，这项工作中所展示的方法可以应用于机械、微电子、生物医学、能源和光子学应用中的其他广泛的半导体材料
" 因此，举例来说，一颗微小的钻石，经过弯曲，使其具有应变梯度，可以成为一个太阳能电池，能够在一个设备上捕捉所有频率的光——目前只能通过串联的设备来实现，这些设备将不同种类的太阳能电池材料层层耦合在一起，以结合它们不同的吸收带
这些有朝一日可能会被用作工业或科学应用的广谱光电探测器
一个限制是，不仅需要适当的应变，还需要金刚石晶格的正确取向，以防止应变导致原子结构越过临界点，变成石墨，即铅笔中使用的软材料
该工艺还可以将金刚石制成两种类型的半导体，即“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，直接带隙提供了更有效的光能量收集，使它们比硅等材料薄得多，硅的间接带隙需要更长的路径来收集光子的能量
李建议，这种工艺可能与广泛的潜在应用有关，例如使用金刚石中的缺陷和掺杂原子的高灵敏度量子探测器
“利用应变，我们可以控制这些点缺陷的发射和吸收水平，”他说，允许控制它们的电子和核量子态的新方法
但是，考虑到应变变化的不同维度可能导致的各种条件，李说，“如果我们在头脑中有一个特定的应用，那么我们可以针对该应用目标进行优化
弹性应变方法的优点是它是动态的，“因此它可以根据需要实时连续变化
研究人员说，这种早期的概念验证工作还没有到他们可以开始设计实用设备的地步，但随着研究的进行，他们预计实际应用是可能的，部分原因是世界各地在同质金刚石材料的生长方面正在进行有前景的工作
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