南洋理工大学与麻省理工大学团队最新研究，钻石也可以导电

编者按

近期，一项由南洋理工大学（NTU）与美国麻省理工学院（MIT）科学家领导的国际研究预测，钻石在纳米尺度的变形过后，可以像金属一样具有导电性。

纳米级钻石的电性能

这项研究是在由NTU校长苏雷什教授（Prof. Subra Suresh）领导的NTU-Hong Kong-MIT科研团队的一项实验发现之后进行的。他在2018年Science杂志上发表的一篇论文中说，比头发丝细一千倍金刚石纳米针，可以充分弯曲并拉伸，以使它们在应变张力释放时迅速弹回而不会受到损坏。

金刚石纳米针在机械应变下形变，来源：NTU官网

基于此理论，当对纳米级的钻石施加机械应变(mechanical strain)时，其形状可能发生可逆的改变，从而改变钻石的电性能，使其可在平常的气压与温度下，成为像金属一样的导体。

金刚石纳米针具有导电性，来源：NTU官网

除NTU与MIT的科学家外，该科研团队还包括来自俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究院（Skoltech）的研究人员。团队运用了计算机的模拟技术，演示了此钻石导电概念的早期证明。

论文于2020年10月5日发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。此项新研究或将改善和增强现有的感应器技术，为应用广泛的电力电子领域开拓了新的前景。目前电力电子正应用于各种各样的汽车电器，智能电网，光学仪器， 高效发光二极管（LED）以及量子感测设备。

更先进的感应器技术应用于量子领域，来源：NTU官网

论文的相应作者是NTU的校长苏普拉·苏雷什教授（Prof. Subra Suresh），MIT的李巨教授（Prof. Ju Li）和首席研究员Ming Dao。作者的名单还包括Zhe Shi，一名MIT的研究生，以及来自Skoltech的Evgenii Tsymbalov和Alexander Shapeev教授。

金刚石结构，来源：中科院地球环境研究所

金刚石具有极高的硬度和刚度，以及许多极好的物理性能，使其成为可以广泛应用的理想候选材料。此项新发现还为钻石在量子信息，电力电子和光子学领域的新应用铺平了道路，包括量子传感器，高效光电探测器和发射器的设计以及在生物医学成像中的应用。

NTU杰出的校长及教授Subra Suresh说：“在不改变其化学成分和稳定性的情况下进行钻石电导率工程设计的能力，为定制材料的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，能源和光子学中使用的多种半导体材料。”

目前的半导体材料以硅为主，来源：azonano.com

从绝缘体到类金属导体

容易通过电流的材料称为电导体，而不易导电的材料，则被称为电绝缘体，比如金刚石。

由于金刚石的带隙很宽，为5.6电子伏特（eV），因此大多数形式的金刚石都是良好的电绝缘体。这意味着在材料中的电子可以用作电流的载流子之前，需要大量的能量来激发它。因而一种材料的带隙越小，电流越容易在其中流动。

机器学习帮助预测纳米针应变分布，来源：PNAS

通过使用涉及量子力学的计算机模拟，机械变形分析和机器学习，科学家们发现，他们可以通过金刚石探针从侧面推动弯曲的方法，使金刚石纳米针弹性变形，来缩小金刚石纳米针的带隙。

他们表明，随着金刚石纳米针上应变的增加，其预测的带隙变窄——也就是导电率更高。在接近针断裂之前可承受的最大应变时，它的带隙减少到了零。

随着应变增加，金刚石的带隙减小至零，来源：NTU官网

他们进一步表明，在不引发从金刚石到石墨的相位变化或声子不稳定性的情况下，可以实现金刚石在纳米级的这种金属化。

然后，研究人员使用模拟结果训练机器学习算法，以识别实现各种几何结构的纳米级金刚石最佳电导率的一般条件。这项科学研究仍处于早期阶段，它揭示了进一步开发具有空前性能的潜在设备的机会。

研究在生物成像领域的潜在应用，来源：NTU官网

“我们发现，它可能带隙减少5.6eV一直到零。关键是，如果您可以从5.6 eV连续较少为0eV，则可以覆盖所有带隙范围。通过应变工程（Strain Engineering），金刚石可以与其他物质相同的带隙，例如最广泛使用的半导体硅的，或者被用作LED的氮化镓。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。” 合著者及MIT教授李巨（Prof. Ju Li）说。

参考文献：

1. "Scientists at NTU Singapore, MIT make electrifying diamond find" NTU News Release;

2. Paper ‘Metallization of diamond’ published in the Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Oct 2020, 202013565; DOI: 10.1073/pnas.2013565117