Nowe właściwości diamentowych półprzewodników

Diament znany jest głównie ze swojej twardości oraz przejrzystości, ponadto znakomicie odprowadza ciepło, dlatego termoprzewodzące pasty z pyłem diamentowym stosuje się w urządzeniach elektronicznych. Zwykły diament jest znakomitym izolatorem, jednak dzięki domieszkom - staje się półprzewodnikiem, który znajduje zastosowanie w elektronice dużej mocy i optyce kwantowej nowej generacji.

Naukowcy z Case Western Reserve University i University of Illinois Urbana-Champaign (USA) odkryli kolejną interesującą właściwość diamentów z dodatkiem boru, znanych jako diamenty domieszkowane borem. Mogą w nich powstawać plazmony - fale elektronów, które poruszają się, gdy pada na nie światło - co pozwala na kontrolowanie i wzmacnianie pól elektrycznych w skali nanometrów. Jest to ważne dla zaawansowanych biosensorów, urządzeń optycznych w skali nano oraz dla ulepszania ogniw słonecznych i urządzeń kwantowych.

Wcześniej wiadomo było, że diamenty domieszkowane borem przewodzą prąd elektryczny, a pod wysokim ciśnieniem stają się nawet nadprzewodnikami. Ale w przeciwieństwie do metali, a nawet innych domieszkowanych półprzewodników, nie mają właściwości plazmonowych.

Dzięki obecnym odkryciom w przyszłości mogą powstać nowe typy urządzeń biomedycznych i kwantowych urządzeń optycznych - szybszych, wydajniejszych i zdolnych do przetwarzania informacji w sposób, w jaki nie potrafią tego robić klasyczne technologie.

"Zrozumienie, w jaki sposób domieszkowanie wpływa na reakcję optyczną półprzewodników, takich jak diament, zmienia nasze rozumienie tych materiałów" - powiedział Mohan Sankaran, profesor inżynierii jądrowej, plazmowej i radiologicznej na Illinois Grainger College of Engineering.

Materiały plazmoniczne, które wpływają na światło w skali nano, były wytwarzane od stuleci, zanim jeszcze zrozumiano naukowe zasady ich działania. Żywe kolory średniowiecznych witraży wynikają z metalowych nanocząsteczek osadzonych w szkle. Gdy przechodzi przez nie światło, cząsteczkite generują plazmony, które wytwarzają określone kolory. Nanocząsteczki złota wydają się rubinowo czerwone, podczas gdy srebrne - intensywnie żółte.

Diamenty, które są przezroczystymi kryształami pierwiastka węgla, można syntetyzować z dodatkiem niewielkich ilości boru, sąsiadującego z węglem w układzie okresowym. Bor zawiera o jeden elektron mniej niż węgiel, co pozwala mu przyjmować elektrony, tworząc "dziurę" w materiale, co ma wpływ na zwiększenie zdolności tego materiału do przewodzenia prądu. Sieć diamentowa domieszkowana borem pozostaje przezroczysta, z niebieskim odcieniem. (Słynny diament Hope jest niebieski, ponieważ zawiera niewielkie ilości boru).

Ze względu na swoje inne unikalne właściwości - jest również chemicznie obojętny i biologicznie kompatybilny - diament domieszkowany borem mógłby potencjalnie być używany tam, gdzie zawiodłyby inne materiały, na przykład w obrazowaniu medycznym, biochipach o wysokiej czułości lub czujnikach molekularnych.

Paweł Wernicki