Carbyne si trasforma da metallo a semiconduttore quando viene allungato, secondo i calcoli degli scienziati della Rice University. Tirare le estremità costringerebbe gli atomi a separarsi a coppie, aprendo una banda proibita. La catena di singoli atomi di carbonio sarebbe teoricamente il materiale più forte di sempre se potesse essere realizzata in modo affidabile. Credito:Vasilii Artyukhov/Rice University
(Phys.org) —Applicare la giusta quantità di tensione a una catena di atomi di carbonio può trasformarla da conduttore metallico a isolante, secondo gli scienziati della Rice University.
Allungando il materiale noto come carbyne, un materiale difficile da realizzare, catena unidimensionale di atomi di carbonio:solo il 3% può iniziare a cambiare le sue proprietà in modi che gli ingegneri potrebbero trovare utili per l'elettronica e l'ottica su nanoscala attivate meccanicamente.
La scoperta del fisico teorico della Rice Boris Yakobson e dei suoi colleghi appare sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .
Fino a poco tempo fa, carbyne è esistito principalmente in teoria, sebbene gli sperimentatori abbiano fatto qualche progresso nella creazione di piccoli campioni del materiale schizzinoso. La catena di carbonio sarebbe teoricamente il materiale più resistente di sempre, se solo qualcuno potesse farlo in modo affidabile.
I calcoli del primo principio di Yakobson e dei suoi coautori, Il ricercatore post-dottorato di Rice Vasilii Artyukhov e lo studente laureato Mingjie Liu, mostrano che l'allungamento delle catene di carbonio attiva la transizione dal conduttore all'isolante allargando la banda proibita del materiale. lacune di banda, che gli elettroni liberi devono superare per completare un circuito, conferiscono ai materiali le proprietà semiconduttive che rendono possibile l'elettronica moderna.
Nel loro precedente lavoro su carbyne, i ricercatori credevano di aver visto indizi della transizione, ma hanno dovuto scavare più a fondo per scoprire che lo stretching avrebbe effettivamente trasformato il materiale in un interruttore.
Le catene carbine degli atomi di carbonio possono essere metalliche o semiconduttrici, secondo i calcoli del primo principio degli scienziati della Rice University. L'allungamento della catena dimerizza gli atomi, aprendo un gap di banda tra le coppie. Credito:Vasilii Artyukhov/Rice University
Ogni atomo di carbonio ha quattro elettroni disponibili per formare legami covalenti. Nel loro stato rilassato, gli atomi in una catena di carbyne sarebbero più o meno equidistanti, con due legami tra loro. Ma gli atomi non sono mai statici, a causa dell'incertezza quantistica naturale, che secondo Yakobson impedisce loro di scivolare in una distorsione Peierls meno stabile.
"Peierls ha detto che i metalli unidimensionali sono instabili e devono diventare semiconduttori o isolanti, " Yakobson ha detto. "Ma non è così semplice, perché ci sono due fattori trainanti".
Uno, la distorsione di Peierls, "vuole aprire il divario che lo rende un semiconduttore". L'altro, chiamata vibrazione del punto zero (ZPV), "vuole mantenere l'uniformità e lo stato metallico."
Yakobson ha spiegato che ZPV è una manifestazione di incertezza quantistica, che dice che gli atomi sono sempre in movimento. "È più una sfocatura che una vibrazione, " disse. "Possiamo dire che carbyne rappresenta il principio di indeterminazione in azione, perché quando è rilassato, i legami sono costantemente confusi tra 2-2 e 1-3, al punto in cui si mediano e la catena rimane metallica."
Ma allungare la catena sposta l'equilibrio verso l'alternanza di legami lunghi e corti (1-3). Questo apre progressivamente un gap di banda che inizia a circa il 3% di tensione, secondo i calcoli. Il team di Rice ha creato un diagramma di fase per illustrare la relazione tra il band gap e la deformazione e la temperatura.
Anche il modo in cui il carbyne è attaccato agli elettrodi è importante, disse Artyuchov. "Diversi modelli di connettività del legame possono influenzare l'equilibrio dello stato metallico/dielettrico e spostare il punto di transizione, potenzialmente dove potrebbe non essere più accessibile, " ha detto. "Quindi bisogna essere estremamente attenti a stabilire i contatti."
"La struttura di Carbyne è un enigma, " ha detto. "Fino a questo documento, tutti erano convinti che fosse un triplo, con un legame lungo poi un legame corto, causata dall'instabilità di Peierls." Ha detto che la realizzazione che le vibrazioni quantistiche possono spegnere Peierls, insieme alla precedente scoperta del team che la tensione può aumentare il band gap e rendere il carbyne più isolante, ha spinto il nuovo studio.
"Altri ricercatori hanno considerato il ruolo di ZPV nei sistemi Peierls-attivi, anche carbyne stesso, prima di noi, "Artyukhov ha detto. "Tuttavia, in tutti gli studi precedenti venivano prese in considerazione solo due possibili risposte:o 'il carbyne è semiconduttore' o 'il carbyne è metallico, ' e la conclusione, qualunque, era visto come una sorta di verità matematica senza tempo, un 'verdetto finale' statico. Quello che abbiamo capito qui è che puoi usare la tensione per passare dinamicamente da un regime all'altro, il che lo rende utile a un livello completamente diverso."
Yakobson ha notato che i risultati dovrebbero incoraggiare ulteriori ricerche sulla formazione di catene di carbyne stabili e possono applicarsi ugualmente ad altre catene unidimensionali soggette a distorsioni di Peierls, compresi polimeri conduttori e materiali ad onde densità di carica/spin.
