오랫동안 모든 천연 소재 중에서 가장 단단한 것으로 알려진 다이아몬드는 뛰어난 열 전도체이자 전기 절연체이기도 합니다.
연구진은 작은 다이아몬드 바늘을 통제 된 방식으로 조정하여 전기적 특성을 변형시키고, 절연에서 반도체를 통해, 높은 전도성 또는 금속으로 전환하는 방법을 발견했습니다.
이것은 다이아몬드 재료의 열화없이 동적으로 유도되고 마음대로 되돌릴 수 있습니다.
이 연구는 아직 초기 개념 증명 단계에 있지만 새로운 종류의 광대역 태양 전지, 고효율 LED 및 전력 전자 장치, 새로운 광학 장치 또는 양자 센서를 포함한 광범위한 잠재적 응용 분야를 열 수 있습니다.
연구팀은 양자 역학적 계산, 기계적 변형 분석, 기계 학습을 조합하여 오랫동안 이론화되었던 현상이 나노 크기의 다이아몬드에서 실제로 발생할 수 있음을 입증했습니다.
성능을 향상시키기 위해 실리콘과 같은 반도체 재료를 변형시키는 개념은 20 년 이상 전에 마이크로 전자 산업에서 응용 분야에서 발견되었습니다.
그러나 이 접근법은 약 1 % 정도 리스크도 내포하고 있습니다. 연구자들은 탄성 변형 공학의 개념을 개발하는데 수년을 보냈습니다.
이는 재료의 전기적, 광학적, 열적 및 기타 특성을 단순히 변형함으로써 물질의 중요한 변화를 유발할 수 있는 능력을 기반으로 합니다.
재료의 결정에서 원자의 기하학적 배열을 변경하기에 충분할 정도로 중간에서 큰 기계적 변형을가합니다.
2018 년 홍콩 폴리 테크닉 대학교의 Suresh, Dao 및 Lu Yang이 이끄는 팀은 직경이 수백 나노미터에 불과한 작은 다이아몬드 바늘이 실온에서 큰 변형에 대해 파손 없이 구부러 질 수 있음을 보여주었습니다.
그들은 이 나노 니들을 반복적으로 10 %의 인장 변형률로 구부릴 수 있었습니다. 그런 다음 바늘은 원래 모양으로 그대로 돌아갈 수 있습니다.
이 연구의 핵심은 전자가 물질을 통해 얼마나 쉽게 이동할 수 있는지를 결정하는 밴드 갭이라는 속성입니다.
따라서 이 속성은 재료의 전기 전도체의 핵심입니다.
다이아몬드는 일반적으로 5.6볼트의 매우 넓은 밴드 갭을 가지고 있으며 이는 전자가 쉽게 이동하지 않는 강력한 전기 절연체임을 의미합니다.
연구진은 최근 시뮬레이션에서 다이아몬드의 밴드 갭이 점차적으로, 지속적으로, 가역적으로 변경되어 절연체에서 반도체, 금속에 이르는 광범위한 전기적 특성을 제공할 수 있음을 보여줍니다.
"우리는 밴드 갭을 5.6 전자 볼트에서 0으로 줄이는 것이 가능하다는 것을 발견했습니다."라고 Li는 말합니다. "이것의 요점은 5.6에서 0 전자볼트까지 지속적으로 변경할 수 있다면 모든 밴드 갭을 커버할 수 있다는 것입니다. 스트레인 엔지니어링을 통해 다이아몬드가 반도체로 가장 널리 사용되는 실리콘 밴드 갭을 갖도록 만들 수 있습니다. LED에 사용되는 질화 갈륨 또는 적외선 감지기로 사용하거나 적외선에서 스펙트럼의 자외선 부분까지 모든 범위의 빛을 감지할 수도 있습니다. "
Suresh는 "화학 성분과 안정성을 변경하지 않고 다이아몬드의 전기 전도도를 엔지니어링하고 설계 할 수 있는 능력은 기능을 맞춤 설계할 수 있는 전례 없는 유연성을 제공합니다."라고 말합니다.
"이 연구에서 입증 된 방법은 변형 공학을 통해 기계, 마이크로 전자, 생물 의학, 에너지 및 포토닉스 응용 분야에서 기술적으로 관심이 있는 다양한 반도체 재료에 적용될 수 있습니다."
예를 들어, 하나의 작은 다이아몬드 조각이 구부러져 변형의 기울기가 생기면 단일 장치에서 모든 주파수의 빛을 포착 할 수 있는 태양 전지가 될 수 있습니다.
서로 다른 종류의 태양 전지 재료를 층으로 결합하여 서로 다른 흡수 대역을 결합하는 직렬 장치. 이들은 언젠가 산업 또는 과학 응용 분야를 위한 광범위한 스펙트럼 광 검출기로 사용될 수 있습니다.
적절한 양의 변형뿐만 아니라 다이아몬드 결정 격자의 올바른 방향을 요구하는 한 가지 제약은 변형으로 인해 원자 구성이 티핑 포인트를 교차하여 흑연으로 바뀌는 것을 방지하는 것이었습니다.
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