Zbulimi i diamantit elektrifikues

Diamanti mund të përçojë energji elektrike si metale kur deformohet në sforcime në nanoskallë, sipas parashikimeve nga një studim nga një ekip ndërkombëtar shkencëtarësh i udhëhequr nga Universiteti Teknologjik Nanyang, Singapor (NTU Singapore) dhe Instituti i Teknologjisë i Massachusetts (MIT), SHBA .

Duke përdorur simulime kompjuterike, ekipi, i cili gjithashtu përfshin studiues nga Instituti i Shkencës dhe Teknologjisë Skolkovo (Skoltech), Rusi, ka treguar si një provë e hershme e konceptit se sforcimi mekanik i aplikuar në gjilpërat me diamante në shkallë nanoskale mund të ndryshojë në mënyrë të kthyeshme gjeometrinë e tyre dhe kështu vetitë e tyre elektrike, duke u dhënë atyre një përçueshmëri të ngjashme me metalin në temperaturën dhe presionin e dhomës.

Studimi i botuar në revistën Procedurat e Akademisë Kombëtare të Shkencave të Shteteve të Bashkuara të Amerikës më 6 tetor 2020, mund të çojë në aplikime në të ardhmen në elektronikën e energjisë të përdorur në një larmi makinerish nga makinat dhe pajisjet elektrike deri në rrjetet inteligjente; dioda shumë efikase të emetimit të dritës (LED); pajisje optike; dhe ndijimi kuantik, i cili rrit dhe përmirëson atë që sensorët mund të bëjnë aktualisht.

Autorët përkatës të këtij studimi janë Presidenti i NTU, Profesor Subra Suresh, Profesori i MIT Ju Li dhe Shkencëtari Kryesor i Kërkimeve të MIT, Ming Dao. Lista e autorëve përfshin Zhe Shi, student i diplomuar në MIT dhe Evgenii Tsymbalov dhe Profesor Alexander Shapeev në Skoltech.

Ky zbulim pason një zbulim eksperimental nga një ekip shkencëtarësh NTU-Hong Kong-MIT i udhëhequr nga Profesor Suresh, i cili raportoi në një letër të vitit 2018 të botuar në Shkencë se nano-hala diamanti – secila rreth një mijë herë më e hollë se një fije floku njerëzor – mund të përkulen dhe të shtrihen në mënyrë të konsiderueshme, në mënyrë që ato të këputen prapa pa u dëmtuar kur çlirohet sforcimi.

Fortësia dhe ngurtësia jashtëzakonisht e lartë e Diamantit, së bashku me vetitë e shumta ekstreme fizike, e bëjnë atë një material kandidat të dëshirueshëm për një larmi të gjerë aplikimesh. Gjetjet e reja gjithashtu hapin rrugën për aplikime të reja të diamantit në fushat e informacionit kuantik, elektronikës së energjisë dhe fotonikës, duke përfshirë hartimin e sensorëve kuantikë, detektorë dhe emetues të fotografive shumë efikase dhe aplikime në imazhet biomjekësore.

Prof Suresh, i cili është gjithashtu profesor i dalluar i Universitetit të NTU, tha: “Aftësia për të inxhinieruar dhe hartuar përçueshmërinë elektrike në diamant pa ndryshuar përbërjen kimike dhe qëndrueshmërinë e saj ofron një fleksibilitet të paparë për të hartuar me porosi funksionet e tij. Metodat e demonstruara në këtë punë mund të zbatohen në një gamë të gjerë të materialeve të tjera gjysmëpërçuese me interes teknologjik në mekanike, mikroelektronikë, biomjekësi, energji dhe zbatime fotonike, përmes inxhinierisë së sforcimit. “

Materialet që lejojnë një rrymë elektrike të kalojë lehtë njihen si përcjellës elektrikë, ndërsa materiale të tilla si diamanti që nuk quhen izolator elektrik.

Diamanti në shumicën e formave është një izolator i mirë elektrik për shkak të bandës së tij ultrawide prej 5.6 elektron volt (eV). Kjo do të thotë se një sasi e madhe e energjisë është e nevojshme për të eksituar elektronet në material përpara se ata të mund të veprojnë si bartës në një rrymë elektrike. Sa më i vogël të jetë banda, aq më lehtë është të rrjedhë një rrymë.

Duke përdorur simulime kompjuterike që përfshinin mekanikën kuantike, analiza të deformimit mekanik dhe mësimin e makinës, shkencëtarët zbuluan se ata mund ta ngushtojnë këtë bandë duke deformuar në mënyrë elastike nano-gjilpërën e diamantit, duke e përkulur ndërsa një sondë diamanti e shtyn atë nga ana.

Ata treguan se ndërsa sasia e sforcimit në nano-gjilpërë diamanti u rrit, banda e parashikuar e saj u ngushtua – një tregues i përçueshmërisë më të madhe elektrike. Shiriti i shiritit u zhduk plotësisht afër sasisë maksimale të sforcimit që mund të përballonte gjilpëra para se të thyhej. Ata më tej treguan se një metalizim i tillë i diamantit në nanoskallë mund të arrihej pa shkaktuar paqëndrueshmërinë e fononit ose transformimin fazor nga diamanti në grafit, materiali i butë në lapsa.

Studiuesit më pas përdorën rezultatet e simulimit për të trajnuar algoritmet e të mësuarit të makinës për të identifikuar kushtet e përgjithshme për arritjen e përçueshmërisë elektrike optimale të diamantit në shkallë nano në konfigurime të ndryshme gjeometrike. Ky hulumtim shkencor, ende në fazën e hershme, tregon mundësi për zhvillimin e mëtejshëm të pajisjeve potenciale me veti dhe performancë të paparë.

Bashkë-autori dhe profesori i MIT Ju Li tha: “Ne zbuluam se është e mundur të zvogëlohet bandgap nga 5.6 eV deri në zero. Çështja e kësaj është që nëse mund të ndryshoni vazhdimisht nga 5.6 në zero eV, atëherë ju mbuloni të gjithë gamën e bandgaps. Përmes inxhinierisë së sforcimit, ju mund të bëni që diamanti të ketë bandën e silicit, i cili përdoret më gjerësisht si gjysmëpërçues, ose nitridi i galiumit, i cili përdoret për LED. Ju madje mund ta bëni atë të bëhet një detektor infra të kuq ose të zbulojë një gamë të tërë drite deri në pjesën infra të kuqe në pjesën ultraviolet të spektrit. “