Алмаз продолжает сиять: обнаружены новые свойства алмазных полупроводников

Алмаз, часто прославляемый своей непревзойденной твердостью и прозрачностью, стал исключительным материалом для мощной электроники и квантовой оптики следующего поколения. Алмаз можно спроектировать таким образом, чтобы он был таким же электропроводным, как металл, путем введения примесей, таких как элемент бор.

Исследователи из Университета Кейс Вестерн Резерв и Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне обнаружили еще одно интересное свойство алмазов с добавлением бора, известных как алмазы, легированные бором.

Их выводы могут проложить путь для новых типов биомедицинских и квантовых оптических устройств — более быстрых, эффективных и способных обрабатывать информацию способами, которые классические технологии не могут. Результаты опубликованы в Nature Communications.

Исследователи обнаружили, что легированные бором алмазы демонстрируют плазмоны — волны электронов, которые движутся, когда на них попадает свет, — что позволяет контролировать и усиливать электрические поля в нанометровом масштабе. Это важно для современных биосенсоров, наноразмерных оптических устройств, а также для улучшения солнечных элементов и квантовых устройств.

Ранее было известно, что легированные бором алмазы проводят электричество и становятся сверхпроводниками, но не обладают плазмонными свойствами. В отличие от металлов или даже других легированных полупроводников, легированные бором алмазы остаются оптически прозрачными.

«Алмаз продолжает сиять, — сказал Джузеппе Странджи, профессор физики в Case Western Reserve, — и в буквальном смысле, и как маяк для научных и технологических инноваций. По мере того, как мы все дальше вступаем в эпоху квантовых вычислений и связи, такие открытия приближают нас к использованию всего потенциала материалов на самом фундаментальном уровне».

«Понимание того, как легирование влияет на оптический отклик полупроводников, таких как алмаз, меняет наше понимание этих материалов», — сказал Мохан Санкаран, профессор ядерной, плазменной и радиологической инженерии в Инженерном колледже Грейнджера в Иллинойсе.

Плазмонные материалы, которые влияют на свет в наномасштабе, очаровывали людей на протяжении столетий, даже до того, как были поняты их научные принципы. Яркие цвета в средневековых витражах являются результатом внедрения в стекло металлических наночастиц.

При прохождении света эти частицы генерируют плазмоны, которые производят определенные цвета. Золотые наночастицы кажутся рубиново-красными, а серебряные наночастицы — ярко-желтыми. Это древнее искусство подчеркивает взаимодействие света и материи, вдохновляя современные достижения в области нанотехнологий и оптики.

Алмазы, состоящие из прозрачных кристаллов элемента углерода, могут быть синтезированы с небольшим количеством бора, соседствующего с углеродом в периодической таблице. Бор содержит на один электрон меньше, чем углерод, что позволяет ему принимать электроны. Бор по сути открывает периодическую электронную «дырку» в материале, что приводит к увеличению способности материала проводить ток. Решетка легированного бором алмаза остается прозрачной, с голубым оттенком. (Знаменитый алмаз Хоупа имеет синий цвет, потому что он содержит небольшое количество бора).

Благодаря другим своим уникальным свойствам — а также химической инертности и биологической совместимости — легированный бором алмаз потенциально может использоваться в таких областях, где другие материалы не могут быть использованы, например, для медицинской визуализации или высокочувствительных биочипов или молекулярных датчиков.

Алмазы, синтезированные при низком давлении, были впервые получены в Case Western Reserve (тогда еще Case Institute of Technology) в 1968 году преподавателем Джоном Ангусом, который умер в 2023 году. Ангус также был первым, кто сообщил об электропроводности алмаза, легированного бором.