Conosciuto da tempo come il più duro di tutti i materiali naturali, i diamanti sono anche eccezionali conduttori termici e isolanti elettrici. Ora, i ricercatori hanno scoperto un modo per modificare piccoli aghi di diamante in modo controllato per trasformare le loro proprietà elettroniche, componendoli dall'isolamento, attraverso semiconduttori, fino a altamente conduttivo, o metallico. Questo può essere indotto dinamicamente e invertito a piacimento, senza degradazione del materiale diamantato.

La ricerca, anche se ancora in una fase iniziale di proof-of-concept, può aprire una vasta gamma di potenziali applicazioni, compresi nuovi tipi di celle solari a banda larga, LED ad alta efficienza ed elettronica di potenza, e nuovi dispositivi ottici o sensori quantistici, dicono i ricercatori.

Le loro scoperte, che si basano su simulazioni, calcoli, e precedenti risultati sperimentali, sono segnalati questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Il documento è del professor Ju Li del MIT e dello studente laureato Zhe Shi; Principale ricercatore scientifico Ming Dao; Professor Subra Suresh, che è presidente della Nanyang Technological University di Singapore nonché ex decano di ingegneria e Vannevar Bush Professor emerito al MIT; e Evgenii Tsymbalov e Alexander Shapeev presso l'Istituto di scienza e tecnologia Skolkovo di Mosca.

Il team ha utilizzato una combinazione di calcoli di meccanica quantistica, analisi di deformazione meccanica, e machine learning per dimostrare che il fenomeno, a lungo teorizzata come una possibilità, può davvero verificarsi in diamanti di dimensioni nanometriche.

Il concetto di sforzare un materiale semiconduttore come il silicio per migliorarne le prestazioni ha trovato applicazioni nell'industria della microelettronica più di due decenni fa. Però, questo approccio ha comportato piccole sollecitazioni dell'ordine di circa l'1 per cento. Li e i suoi collaboratori hanno trascorso anni a sviluppare il concetto di ingegneria della deformazione elastica. Questo si basa sulla capacità di causare cambiamenti significativi nel campo elettrico, ottico, termico, e altre proprietà dei materiali semplicemente deformandoli, sottoponendoli a sollecitazioni meccaniche da moderate a grandi, abbastanza per alterare la disposizione geometrica degli atomi nel reticolo cristallino del materiale, ma senza interrompere quel reticolo.

In un importante passo avanti nel 2018, una squadra guidata da Suresh, Dao, e Lu Yang del Politecnico di Hong Kong hanno mostrato che minuscoli aghi di diamante, solo poche centinaia di nanometri di diametro, potrebbe essere piegato senza frattura a temperatura ambiente per grandi deformazioni. Sono stati in grado di piegare ripetutamente questi nanoaghi a sollecitazioni di trazione fino al 10 percento; gli aghi possono quindi tornare intatti alla loro forma originale.

La chiave di questo lavoro è una proprietà nota come bandgap, che essenzialmente determina la rapidità con cui gli elettroni possono muoversi attraverso un materiale. Questa proprietà è quindi fondamentale per la conduttività elettrica del materiale. Il diamante ha normalmente una banda proibita molto ampia di 5,6 elettronvolt, il che significa che è un forte isolante elettrico attraverso il quale gli elettroni non si muovono facilmente. Nelle loro ultime simulazioni, i ricercatori mostrano che il bandgap del diamante può essere gradualmente, continuamente, e reversibilmente cambiato, fornendo una vasta gamma di proprietà elettriche, dall'isolante attraverso il semiconduttore al metallo.

"Abbiamo scoperto che è possibile ridurre il bandgap da 5,6 elettronvolt fino a zero, " Dice Li. "Il punto è che se puoi cambiare continuamente da 5,6 a 0 elettronvolt, quindi copri tutta la gamma di bandgap. Attraverso l'ingegneria della deformazione, puoi fare in modo che il diamante abbia la banda proibita del silicio, che è più ampiamente usato come semiconduttore, o nitruro di gallio, che viene utilizzato per i LED. Puoi persino farlo diventare un rilevatore a infrarossi o rilevare un'intera gamma di luce dall'infrarosso alla parte ultravioletta dello spettro".

"La capacità di progettare e progettare la conduttività elettrica nel diamante senza modificarne la composizione chimica e la stabilità offre una flessibilità senza precedenti per la progettazione personalizzata delle sue funzioni, " dice Suresh. "I metodi dimostrati in questo lavoro potrebbero essere applicati a una vasta gamma di altri materiali semiconduttori di interesse tecnologico in meccanica, microelettronica, biomedico, applicazioni energetiche e fotonica, attraverso l'ingegneria della deformazione."

Così, Per esempio, un solo minuscolo pezzo di diamante, piegato in modo da avere un gradiente di tensione su di esso, potrebbe diventare una cella solare in grado di catturare tutte le frequenze di luce su un singolo dispositivo, cosa che attualmente può essere ottenuta solo attraverso dispositivi tandem che accoppiano diversi tipi di materiali delle celle solari in strati per combinare le loro diverse bande di assorbimento. Questi potrebbero un giorno essere usati come fotorivelatori ad ampio spettro per applicazioni industriali o scientifiche.

Un vincolo, che richiedeva non solo la giusta quantità di deformazione ma anche il giusto orientamento del reticolo cristallino del diamante, era quello di evitare che la deformazione facesse sì che la configurazione atomica attraversasse un punto critico e si trasformasse in grafite, il materiale morbido utilizzato nelle matite.

Il processo può anche trasformare il diamante in due tipi di semiconduttori, semiconduttori bandgap "diretti" o "indiretti", a seconda dell'applicazione prevista. Per le celle solari, Per esempio, le bande proibite dirette forniscono una raccolta molto più efficiente di energia dalla luce, permettendo loro di essere molto più sottili di materiali come il silicio, il cui bandgap indiretto richiede un percorso molto più lungo per raccogliere l'energia di un fotone.

Il processo potrebbe essere rilevante per un'ampia varietà di potenziali applicazioni, Li suggerisce, come per rivelatori quantistici altamente sensibili che utilizzano difetti e atomi droganti in un diamante. "Usando lo sforzo, possiamo controllare i livelli di emissione e assorbimento di questi difetti puntuali, " lui dice, consentendo nuovi modi di controllare i loro stati quantistici elettronici e nucleari.

Ma data la grande varietà di condizioni rese possibili dalle diverse dimensioni delle variazioni di deformazione, Li dice, "se abbiamo in mente un'applicazione particolare, quindi potremmo ottimizzare verso quel target dell'applicazione. E la cosa bella dell'approccio di deformazione elastica è che è dinamico, " in modo che possa essere continuamente variato in tempo reale secondo necessità.

Questo lavoro di proof-of-concept in fase iniziale non è ancora al punto in cui possono iniziare a progettare dispositivi pratici, dicono i ricercatori, ma con la ricerca in corso si aspettano che le applicazioni pratiche possano essere possibili, in parte a causa del promettente lavoro svolto in tutto il mondo sulla crescita di materiali diamantati omogenei.