ПОПУЛЯРНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Кадры

Фотогалерея

Новости

Из диэлектрика в полупроводник и обратно – игры физиков с алмазами / 13.10.2020

Ученые из России и США разработали теоретическую модель изменения электрической проводимости кристалла алмаза в широком диапазоне без разрушения его структуры.

 

Модель показывает, что регулировать ширину запрещенной зоны алмаза можно с помощью направленной механической деформации сжатия-растяжения. При этом достаточная сила напряжения для таких превращений находится в области упругих деформаций, что позволяет избежать нестабильности фононов и графитизации.

 

Электропроводность материала зависит от ширины его запрещенной зоны — это энергия, которой необходимо обладать электрону, чтобы перейти из валентной зоны в зону проводимости. Алмаз, благодаря своим физико-механическим свойствам — желанный материал для решения множества задач, в том числе в экстремальных условиях. Но алмаз имеет ширину запрещенной зоны 5,6 электронвольт и относится к диэлектрикам. В таком состоянии он малопригоден для повсеместного использования в полупроводниковой технике. Заставить алмаз проводить ток — перспективная задача для разных областей науки.

 

Ширину запрещенной зоны можно менять, легируя материал, изменяя его молекулярную структуру. Чтобы добиться высокой проводимости, необходимо уменьшить ширину запрещенной зоны до нуля, а еще лучше при этом не нарушить кристаллическую решетку алмаза, чтобы он сохранил свои полезные качества. Добавление примесей также способствует усложнению конструкции, увеличивает вероятность возникновения дефектов. Поэтому важно найти наиболее простой и эффективный метод воздействия на ширину запрещенной зоны. Два года назад в Science вышла работа, описывающая наличие относительно большой упругой деформации в алмазе, что позволяет изменять функциональные свойства алмаза, такие как электропроводность, с помощью одного только механического воздействия.

 

Чжэ Ши (Zhe Shi) с коллегами из Массачусетского технологического института при участии ученых из Сколковского института науки и технологий определили оптимальные параметры приложения механического напряжения на кристаллы алмаза, чтобы сделать его проводником без легирования и изменения фазы. Сложность заключалась в том, что существует огромное количество вариантов приложения напряжения: разной силы и направленности. Ученые произвели расчеты методом конечных элементов на основе теории функциональной плотности, а затем применили их для машинного обучения алгоритмов нейронной сети (не уточняется, какой именно) на платформе TensorFlow. Нейросеть перебрала множество комбинаций (не уточняется конкретный состав и размер выборки) механического воздействия, сопоставила их с шириной запрещенной зоны в разных плоскостях и областях кристалла и построила зависимость. Моделирование результатов наглядно показывает, что наноиглы алмаза можно обратимо сжимать и растягивать без разрушения до 10,8 и 9,6 процента деформации соответственно. Этого диапазона достаточно, чтобы менять проводимость алмаза от диэлектрика до проводника.

Проектирование приложения деформации сжатия (слева) и растяжения (посередине), и прогноз распределения ширины запрещенной зоны (справа) для кристаллографического направления вдоль оси иглы

Теоретическая модель может в зависимости от поставленной задачи вычислить необходимые параметры механического воздействия для предсказания любого значения ширины запрещенной зоны от 0 до 5,6 электронвольт. В теории, динамически воздействуя на алмаз, можно регулировать его электропроводность в реальном времени. В том числе, можно сделать алмаз полупроводником с прямым или непрямым переходом, и все это — обратимо, с возможностью вернуть кристалл в состояние покоя.

Графики зависимости ширины запрещенной зоны от приложенной деформации сжатия (слева) и растяжения (справа) в наноразмерном алмазе игловидной геометрии

Разработанную модель можно использовать для более подробных исследований и конструирования сложных систем на базе алмаза. Способность управлять электропроводностью материала в реальном времени позволяет использовать алмаз в многокомпонентных материалах вместо нескольких веществ одновременного — возможно, это поможет физикам в разработке квантовых микрочипов – пишет nplus1 .

 


Другие новости по теме:
30.10.20 - Мостовые опоры по образу человеческих суставов
28.10.20 - Композиты в помощь: МС-21 все-таки полетит
27.10.20 - Аморфные металлы на защите смартфонов
24.10.20 - Оленям дадут съедобные пакеты
23.10.20 - Вместо кондиционера. Ученые изобрели охлаждающую краску
TOP100 самых популярных
новостей
за месяц
Место Наименование Показов
1

Нанотехнологи из США и Японии разделили премию Испании

2 японских и 3 американских ученых стали лауреатами престижной премии принца Астурийского за научные и технические разработки в области нанотехнологий. Испания присудила награды японским ученым Сум

1224
2

В сети появился новый бесплатный виртуальный компьютер

Первый в мире бесплатный для любого пользователя он-лайн компьютер начал работать в интернете в четверг с 11.00 по московскому времени. О запуске уникальной операционной системы icloud, работающей по

198
3

Одноколесный велосипед с электромотором (видео)

Enicycle - это моторизованный одноколесный велосипед, сконструированный изобретателем из Словении Александером Полутником (Aleksander Polutnik). Научиться ездить на этом необычном средстве передвижени

193
4

Альтернативная энергетика – тема лучшего инновационного проекта молодых учёных РФ.

ДНК-диагностика инфекционных и наследственных заболеваний, альтернативная энергетика, новые технологии материаловедения – в числе основных проектов-победителей Всероссийского конкурса по поддерж

190
5

Ученые обнаружили неизвестный ранее вирус

Способ глубокого секвенирования помог международной команде исследователей открыть новую разновидность рабдовирусов, которые вызывают заболевание бешенством у животных и людей. При этом, обнаруженный

186

Анонсы событий