Механическая деформация превратит алмаз из диэлектрика в полупроводник и обратно

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. Исследование опубликовано в журнале PNAS.

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.

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.

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. Например, ранее мы писали, как из алмазных квантовых микрочипов ученые собрали 128-кубитный чип.

Роман Колесов

Источник: nplus1.ru

Комментарии: