【伸縮自如的暗黑秘密】鑽石能從絕緣體變半導體,還可再任意變回絕緣體!

【我們為什麼編譯這篇文章】我們常見的鑽石,也就是「金剛石」,在一般常態下,因為其晶體結構沒有可移動的自由電子,而成為良好的絕緣體,不過近日有研究發現,超級絕緣體也能變成導體,怎麼做到的?(責任編輯:賴佩萱)

美國麻省理工學院(MIT)和新加坡南洋理工大學研究團隊近日發現,如果將鑽石的奈米針變形會讓其產生導電力,可以讓鑽石從絕緣體變成半導體,並且可以任意將其變回絕緣體,這是什麼黑科技?

材料能否導電,決定於「能隙」

為什麼大部分的金屬能導電?金剛石卻是絕緣體?

其實材料能否導電,端賴材料的電子的「能隙」,這指的是價帶頂端至傳導帶底端的能量差距,如果能隙越小越窄,導電力就越好。

例如金屬導體材料可能沒有能隙、半導體的能隙通常都介於 1-3 eV,而一般情況下,金剛石的能隙為 5.6 eV,因此電子很難通過其結構,成為了很好的絕緣體。

鑽石奈米針彎曲後竟然可以導電

不過,麻省理工學院與南洋理工學院的研究團隊利用量子力學電腦模擬及機械變形技術,發現金剛石探針可以利用將金剛石奈米針彎曲成不同程度,帶來不同的應變(Strain)。

當施加的壓力越大(越彎曲),奈米針的能隙就越窄,彎曲直到針頭斷裂前就會有極好的導電效果,等同於將原本是絕緣體的鑽石「金屬化」。

左圖為金剛石奈米針被彎曲的電子顯微鏡圖;右圖為金剛石奈米針受壓時的應變程度變化。(圖片來源:MIT News

如上右圖的應變總量電腦模擬圖顯示,當金剛石奈米針被施加壓力時,被彎曲部分的能隙會從 5.6 eV 降低到了 0 eV,亦即如深紅色部分顯示,此時可以帶來絕佳的導電效果。

奈米針彎曲應用廣,有機會用於半導體、LED

該研究的作者 Ju Li 透露,研究發現可以將金剛石奈米針的能隙從 5.6 eV 降到 0 eV,如此一來就可以覆蓋到所有的能隙範圍,因此透過應變工程,可以讓金剛石有不同的應用。例如可以讓金剛石擁有如矽的能隙,應用於半導體上技術上;或是如氮化鎵般應用在 LED 上。

研究小組也指出,奈米針彎曲的應用還可以更廣泛,例如可以使太陽能電池在單個設備上獲得更廣泛頻率的光,(這項技術目前要透過許多不同材料才能完成),或是應用在新型的量子檢測或感測器。

研究團隊將這項研究成果發表於期刊《美國國家科學院院刊》上,不過因目前仍處於初期研究概念證實的階段,要做到上述的不同應用還需要更多研究及設備的設計才能達成。

參考資料

New Atlas》、《科學 Online

(本文提供合作夥伴轉載;首圖來源:維基百科 。)

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