Normalement un isolant, le diamant devient un conducteur métallique lorsqu’il est soumis à une forte contrainte dans un nouveau modèle théorique – Technoguide

Connus depuis longtemps comme le plus dur de tous les matériaux naturels, les diamants sont également des conducteurs thermiques et des isolants électriques exceptionnels. Maintenant, les chercheurs ont découvert un moyen d’ajuster de minuscules aiguilles de diamant de manière contrôlée pour transformer leurs propriétés électroniques, en les faisant passer d’isolant, en passant par semi-conducteur, jusqu’à hautement conducteur ou métallique. Cela peut être induit dynamiquement et inversé à volonté, sans dégradation du diamant.

La recherche, bien qu’encore à un stade précoce de la preuve de concept, pourrait ouvrir un large éventail d’applications potentielles, y compris de nouveaux types de cellules solaires à large bande, des LED hautement efficaces et de l’électronique de puissance, et de nouveaux dispositifs optiques ou capteurs quantiques, les chercheurs. dire.

Leurs conclusions, qui sont basées sur des simulations, des calculs et des résultats expérimentaux antérieurs, sont rapportées cette semaine dans les actes de la National Academy of Sciences. Le document a été rédigé par le professeur Ju Li du MIT et l’étudiant diplômé Zhe Shi; Chercheur principal Ming Dao; Le professeur Subra Suresh, qui est président de l’Université technologique de Nanyang à Singapour, ainsi qu’ancien doyen de l’ingénierie et professeur émérite Vannevar Bush au MIT; et Evgenii Tsymbalov et Alexander Shapeev à l’Institut Skolkovo des Sciences et de la Technologie à Moscou.

L’équipe a utilisé une combinaison de calculs de mécanique quantique, d’analyses de la déformation mécanique et d’apprentissage automatique pour démontrer que le phénomène, longtemps théorisé comme une possibilité, peut vraiment se produire dans un diamant nanométrique.

Le concept de contrainte d’un matériau semi-conducteur tel que le silicium pour améliorer ses performances a trouvé des applications dans l’industrie de la microélectronique il y a plus de deux décennies. Cependant, cette approche impliquait de petites contraintes de l’ordre d’environ 1 pour cent. Li et ses collaborateurs ont passé des années à développer le concept de l’ingénierie des déformations élastiques. Ceci est basé sur la capacité de provoquer des changements significatifs dans les propriétés électriques, optiques, thermiques et autres des matériaux simplement en les déformant – en les soumettant à une contrainte mécanique modérée à importante, suffisante pour modifier la disposition géométrique des atomes dans le cristal du matériau. treillis, mais sans perturber ce treillis.

Dans une avancée majeure en 2018, une équipe dirigée par Suresh, Dao et Lu Yang de l’Université polytechnique de Hong Kong a montré que de minuscules aiguilles de diamant, de seulement quelques centaines de nanomètres de diamètre, pouvaient être pliées sans fracture à température ambiante à de grandes souches. . Ils étaient capables de plier à plusieurs reprises ces nanoneedles à une contrainte de traction jusqu’à 10 pour cent; les aiguilles peuvent alors retrouver intactes leur forme d’origine.

La clé de ce travail est une propriété connue sous le nom de bande interdite, qui détermine essentiellement la facilité avec laquelle les électrons peuvent se déplacer dans un matériau. Cette propriété est donc essentielle à la conductivité électrique du matériau. Le diamant a normalement une bande interdite très large de 5,6 électrons volts, ce qui signifie qu’il s’agit d’un isolant électrique puissant que les électrons ne traversent pas facilement. Dans leurs dernières simulations, les chercheurs montrent que la bande interdite du diamant peut être modifiée progressivement, en continu et de manière réversible, offrant un large éventail de propriétés électriques, de l’isolant au semi-conducteur en passant par le métal.

«Nous avons constaté qu’il était possible de réduire la bande interdite de 5,6 électrons volts à zéro», explique Li. «Le fait est que si vous pouvez passer continuellement de 5,6 à 0 électron-volts, alors vous couvrez toute la gamme des bandes interdites. Grâce à l’ingénierie des contraintes, vous pouvez faire en sorte que le diamant ait la bande interdite du silicium, qui est le plus largement utilisé comme semi-conducteur , ou nitrure de gallium, qui est utilisé pour les LED. Vous pouvez même le faire devenir un détecteur infrarouge ou détecter toute une gamme de lumière allant de l’infrarouge à la partie ultraviolette du spectre. “

«La capacité de concevoir et de concevoir la conductivité électrique du diamant sans modifier sa composition chimique et sa stabilité offre une flexibilité sans précédent pour concevoir ses fonctions sur mesure», déclare Suresh. “Les méthodes démontrées dans ce travail pourraient être appliquées à une large gamme d’autres matériaux semi-conducteurs d’intérêt technologique dans les applications mécaniques, microélectroniques, biomédicales, énergétiques et photoniques, grâce à l’ingénierie des contraintes.”

Ainsi, par exemple, un seul petit morceau de diamant, plié de manière à avoir un gradient de contrainte à travers lui, pourrait devenir une cellule solaire capable de capturer toutes les fréquences de lumière sur un seul appareil – ce qui ne peut actuellement être réalisé que par dispositifs en tandem qui couplent différents types de matériaux de cellules solaires en couches pour combiner leurs différentes bandes d’absorption. Ceux-ci pourraient un jour être utilisés comme photodétecteurs à large spectre pour des applications industrielles ou scientifiques.

Une contrainte, qui exigeait non seulement la bonne quantité de déformation, mais aussi la bonne orientation du réseau cristallin du diamant, était d’empêcher la déformation de faire franchir un point de basculement à la configuration atomique et de se transformer en graphite, le matériau souple utilisé dans les crayons.

Le procédé peut également transformer le diamant en deux types de semi-conducteurs, soit des semi-conducteurs à bande interdite «directs» ou «indirects», selon l’application envisagée. Pour les cellules solaires, par exemple, les bandes interdites directes fournissent une collecte beaucoup plus efficace de l’énergie de la lumière, ce qui leur permet d’être beaucoup plus minces que des matériaux tels que le silicium, dont la bande interdite indirecte nécessite un chemin beaucoup plus long pour collecter l’énergie d’un photon.

Le processus pourrait être pertinent pour une grande variété d’applications potentielles, suggère Li, comme pour les détecteurs quantiques hautement sensibles qui utilisent des défauts et des atomes dopants dans un diamant. «En utilisant la déformation, nous pouvons contrôler les niveaux d’émission et d’absorption de ces défauts ponctuels», dit-il, permettant de nouvelles façons de contrôler leurs états quantiques électroniques et nucléaires.

Mais étant donné la grande variété de conditions rendues possibles par les différentes dimensions des variations de déformation, Li dit, “si nous avons une application particulière à l’esprit, alors nous pourrions optimiser vers cette cible d’application. Et ce qui est bien avec l’approche de déformation élastique, c’est que il est dynamique », de sorte qu’il peut être modifié en continu en temps réel selon les besoins.

Ces premiers travaux de validation de principe ne sont pas encore au point où ils peuvent commencer à concevoir des dispositifs pratiques, disent les chercheurs, mais avec la recherche en cours, ils s’attendent à ce que des applications pratiques soient possibles, en partie à cause des travaux prometteurs en cours. dans le monde entier sur la croissance de matériaux diamantés homogènes.

Le travail a été soutenu par le US Office of Naval Research.

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