Меню

Способность алмаза проводить электрический ток

Ученые превратили алмаз в практически идеальный полупроводник для силовой электроники

Алмаз-полупроводник

Группа исследователей из университета Висконсина-Мэдисона (University of Wisconsin-Madison) разработала новый способ легирования монокристаллических алмазов, введения в материал атомов примесей, в данном случае атомов бора. Новый процесс легирования производится при относительно низкой температуре, благодаря чему кристаллы алмаза не подвергаются разрушению и деградации.

У алмаза имеется ряд свойств, которые могут сделать их идеальными полупроводниками для производства мощной силовой электроники. Алмазы могут использоваться в условиях высоких электрических потенциалов, а низкое удельное сопротивление в случае правильного легирования кристалла позволит кристаллу проводить сильный электрический ток. Алмаз является одним из наилучших проводников тепла, поэтому проблема отвода и рассеивания выделяющегося тепла решается достаточно простыми способами. Несмотря на столь интересные характеристики, практическое использование алмазов в качестве полупроводников затрудняется тем, что из-за прочности структуры этого материала очень тяжело правильно вводить в кристалл атомы легирующих добавок.

В ходе экспериментов ученые выяснили, что если физически соединить монокристаллический алмаз с кремнием, предварительно легированным атомами бора, и нагреть все это до 800 градусов Цельсия, атомы бора под воздействием тепловых колебаний мигрируют из кремния внутрь алмаза. Процесс происходит при относительно низкой для таких процессов температуре и это обусловлено некоторыми особенностями строения легированного кремния. В структуре такого кремния присутствуют вакансии, места в кристаллической решетке с отсутствующими там атомами. Под влиянием тепловых колебаний атомы углерода из алмаза заполняют эти вакансии, оставляя пустое место в структуре алмаза, которое заполняется атомом бора.

Такая технология получила название избирательного легирования и она позволяет получить высокую степень контроля над производимым процессом. При помощи такого метода достаточно просто легировать определенные места монокристаллического алмаза, для этого требуется лишь наложить кремний на необходимые места и нагреть это до указанной выше температуры.

Пока новый метод работает в отношении легирования P-типа, при котором атомы примесей создают носители положительного электрического заряда, так называемые электронные дырки, места в кристаллической решетке с одним отсутствующим электроном. И, используя полученные алмазные полупроводники p-типа, исследователи уже изготовили первые образцы простейших электронных приборов, таких, как диод.

Но, для того, чтобы создать более сложные электронные приборы, такие, как транзистор, требуется легирование N-типа, легирование примесью, атомы которой создают носители отрицательного электрического заряда, лишние электроны в кристаллической решетке. Пока у ученых нет технологии такого легирования, но, вполне вероятно, что результаты данных исследований вдохновят других исследователей и кому-нибудь из них все же удастся найти подходящее решение. И если это произойдет, то на свет появятся новые полупроводниковые приборы, которые с высокой эффективностью будут использоваться для управления электрическим током большой мощности, к примеру, в энергетических сетях.

Читайте также:  Поверхностная плотность токов намагничивания формула

Источник

Физики заставили алмаз проводить электрический ток

Структурный состав алмаза говорит о том, что данная порода не может проводить электрический ток. И на протяжении долгого времени считалось, что невозможно поменять такие свойства. Но ученые пришли к выводам, что при определенном физическом воздействии алмаз все таки сможет стать полупроводником.

По физическим свойствам алмаз считается самой прочной горной породой, что в свою очередь делает его уникальным материалом. Но невозможность пропуска электрического тока является не лучшей стороной данного материала. Ученые считают, что если какими то способами удастся пропустить ток через алмаз, то есть сделать из него полупроводник, то такая возможность откроет огромную область возможных применений. К примеру можно разработать новейшие типы солнечных компонентов или в производстве светодиодов, обладающих высокой эффективностью.

По разработанной физиками теории, полупроводниковость алмазу можно придать путем специального деформирования наночастиц кристаллической решетки алмаза, тем самым предатутся свойства проводящие электрический ток.

В процессе работы по созданию подобных деформаций, ученые прибегали к комбинациям, основанных на квантово-механических расчетах. Такая работа почерпнула опыт предшествующих испытаний, в ходе которых ученые изгибали без разрушения микроскопические иглы, выполненные из алмаза. По ходу экспериментов были сделаны выводы, что существует возможность многократного изгибания и растягивания без разрушения. Еще одним интересным фактом стало то, что после окончания воздействия алмазный образец восстанавливал свою первоначальную форму и не изменял внутреннюю структуру.

Проведенный новый эксперимент говорит о том, что при деформациях изменяется ширина запрещенной зоны, которая в свою очередь отвечает за способность материала проводить электрический ток. Тем самым этот параметр разделяет такие понятия как изолятор и проводник. В теории путем медленного расширения такой зоны, позволит превратить алмаз в проводник, при соблюдении большого количества условий, касающихся кристаллической решетки.

Источник

Учёные выяснили, как изолятор алмаз превратить в проводник и полупроводник

Как и мифический философский камень для алхимиков, алмаз может стать тем материалом, который изменит представление о производстве электроники. Как выяснила международная группа учёных, механическая деформация превращает алмазы из изолятора в полупроводники и проводники. Более того, это превращение обратимое и управляемое, что может открыть путь к улучшению едва ли не всего спектра электронных приборов от транзисторов до солнечных батарей.

Читайте также:  Формула для вычисления силы тока в электрической цепи

Сразу поясним, данные исследования находятся на очень ранней стадии, фактически — на этапе теоретического обоснования и компьютерного моделирования. До изготовления каких-либо электронных приборов из деформируемых управляемым образом алмазов очень и очень далеко. Тем не менее, индустрия производства искусственных алмазов развивается настолько быстро, что последующая практическая реализация разработок может пойти как по маслу.

Что касается идеи, которая лежит в основе проекта по управляемой деформации кристаллической решётки, то она не нова и уже используется, например, при производстве полупроводников в виде так называемого напряжённого кремния. Но в случае производства напряжённого кремния кристаллическая решётка деформируется примерно на 1 % своей структуры, тогда как алмаз допускает без разрушения деформации до 10 % структуры, а это позволяет лепить из него хоть полупроводник, хоть проводник с высочайшей проводимостью.

Суть превращения в том, что механическая деформация меняет ширину запрещённой зоны алмаза. Изначально она очень велика — 5,6 электронвольт. Электронам в узлах кристаллической решётки крайне тяжело преодолеть такой энергетический барьер и поэтому алмаз является отличным изолятором для электрического тока. Механическая деформация, как показало компьютерное моделирование с использованием данных квантовой механики и машинного обучения, так меняет кристаллическую структуру алмаза, что ширина запрещённой зоны уменьшается с 5,6 электронвольт до 0 и может быть восстановлена обратно.

В красной области деформированной наноиглы алмаза материал становится прводником (иллюстрация из статьи)

В красной области деформированной наноиглы алмаза материал становится проводником (иллюстрация из статьи)

Проще говоря, алмаз может стать элементом затвора транзистора, светодиодом или весьма эффективным элементом солнечной панели, который по своей простоте и КПД окажется способным превзойти все современные комплексные аналоги.

Добавим, исследование провели учёные из Массачусетского технологического института, Наньянского технологического университета (NTU) Сингапура и два сотрудника Сколтеха: Евгений Цымбалов и Александр Шапеев. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Источник



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.

Читайте также:  Вольтметра постоянного тока измерить переменное току

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.

Проектирование приложения деформации сжатия (слева) и растяжения (посередине), и прогноз распределения ширины запрещенной зоны (справа) для кристаллографического направления вдоль оси иглы

Источник