钻石一直以来都是最坚硬的全天然材料，也是出色的导热体和电绝缘体

钻石一直以来都是最坚硬的全天然材料，也是出色的导热体和电绝缘体。现在，研究人员发现了一种以可控的方式微调钻石小针的方法，以改变其电子特性，使它们从绝缘(通过半导体)一直变为高导电性或金属性。这可以动态地诱发，并且可以任意地逆转，而不会破坏金刚石材料。

尽管这项研究仍处于概念验证的早期阶段，但它可能会开拓广泛的潜在应用，包括新型宽带太阳能电池，高效LED和电力电子设备以及新型光学器件或量子传感器。说。

他们的发现基于模拟，计算和先前的实验结果，在《美国国家科学院院刊》上已有报道。 该 论文是由麻省理工学院的鞠莉教授和研究生哲哲撰写的。首席研究员明道;Subra Suresh教授是新加坡南洋理工大学的校长，也是麻省理工学院的前工程系主任兼Vannevar Bush荣誉教授。莫斯科斯科尔科沃科技学院的Evgenii Tsymbalov和Alexander Shapeev。

该团队结合使用了量子力学计算，机械变形分析和机器学习技术，证明了这种现象(长期以来被认为是可能的)确实会在纳米级钻石中发生。

应变硅等半导体材料以改善其性能的概念已经在二十多年前的微电子行业中得到了应用。但是，这种方法需要大约1%的小应变。李和他的合作者花了多年的时间来开发弹性应变工程的概念。这是基于能够通过使材料变形而引起材料的电，光，热和其他特性发生重大变化的能力-将它们置于中等到较大的机械应变下，足以改变材料晶格中原子的几何排列，但不会破坏该晶格。

在2018年的一项重大进展中，香港理工大学的Suresh，Dao和Lu Yang领导的一个团队表明，只有几百纳米宽的微小钻石针 在室温下可以 弯曲而不会破裂，从而产生大应变。他们能够反复弯曲这些纳米针至10%的拉伸应变。然后，针可以恢复原样。

这项工作的关键是一种被称为带隙的特性 ，它本质上决定了电子在材料中移动的容易程度。因此，此属性是材料电导率的关键。金刚石通常具有5.6电子伏特的非常宽的带隙，这意味着它是电子不易移动的强电绝缘体。在最新的模拟中，研究人员表明，金刚石的带隙可以逐渐，连续和可逆地改变，从而提供了从绝缘体到半导体再到金属的各种电气特性。

“我们发现可以将带隙从5.6电子伏特降低到零。” Li说。“这一点是，如果您可以将电子伏特从5.6伏特连续改变到0伏特，那么您将覆盖所有带隙范围。通过应变工程，您可以使金刚石具有最广泛用作半导体的硅或氮化镓(用于LED)的带隙。您甚至可以使其成为红外检测器，或者检测从光谱的红外到紫外部分的整个范围的光。”

Suresh说：“在不改变其化学成分和稳定性的情况下进行金刚石电导率工程设计的能力为定制功能提供了前所未有的灵活性。” “通过应变工程，这项工作中展示的方法可以应用于机械，微电子，生物医学，能源和光子学应用中的技术感兴趣的其他多种半导体材料。”

因此，例如，一块很小的钻石经过弯曲使其在其上具有一定的应变梯度，就可以成为能够在单个设备上捕获所有频率的光的太阳能电池，而这目前只能通过串联来实现。将不同种类的太阳能电池材料分层耦合在一起以组合其不同吸收带的设备。这些有朝一日可用作工业或科学应用的广谱光电探测器。

一个约束条件不仅需要适当的应变量，而且还要求钻石晶格的正确方向，它是防止应变导致原子构型越过临界点并变成石墨(一种铅笔所用的软质材料)。

根据预期的应用，该工艺还可以将金刚石制成两种类型的半导体，即“直接”或“间接”带隙半导体。例如，对于太阳能电池，直接带隙可提供更有效的光能收集，使其比硅等材料薄得多，硅的间接带隙需要更长的路径来收集光子能量。

李建议，该过程可能与各种各样的潜在应用有关，例如，对于使用金刚石中的缺陷和掺杂原子的高度敏感的基于量子的探测器。他说：“利用应变，我们可以控制这些点缺陷的发射和吸收水平。”他提出了控制其电子和核量子态的新颖方法。

但是，由于应变变化的不同维度使条件多样化，李说，“如果我们考虑到特定的应用，那么我们可以朝着该应用目标进行优化。弹性应变方法的优点在于它是动态的，因此可以根据需要实时地连续变化。

研究人员说，这种早期的概念验证工作尚不能开始设计实用的设备，但是随着正在进行的研究，他们希望可以进行实际应用，部分原因是有前途的工作正在开展。在全球范围内对均质金刚石材料的生长进行的研究。