Алмазы

Порой незначительные, на первый взгляд, детали имеют невероятное влияние на общую картину. Этот принцип применим ко многим сферам нашей жизни: таинственная улыбка Моны Лизы, породившая уйму теорий и спекуляций; одна строка кода, способная напрочь изменить функционал программы; порядок расположения атомов, меняющий свойства вещества. О последнем мы сегодня и поговорим. Ученые из университета города Цукуба (Япония) выдвинули теорию, согласно которой можно создать новую структуру алмаза, которая будет прочнее всем известного минерала. Ученые назвали свое творение пентаалмаз. Что нужно для создания пентаалмаза, какими свойствами он может обладать и где можно применять столь прочное вещество? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Углерод вездесущий элемент периодической таблицы, являющийся основой для великого множества органических и неорганических соединений. В природе углерод можно встретить практически везде: нефть и торф, метан и углекислый газ, мышцы и кости и т.д. и т.п. Одним словом, углерод не зря считают одним из основных строительных блоков жизни на Земле.

Некоторые вещества или химические элементы могут существовать в разной форме при разных условиях. Это называют аллотропией. Углерод рекордсмен в этом деле, ибо у него имеется более 9 аллотропических модификаций.

Причинами наличия столь большого числа аллотропов углерода являются орбитальная гибридизация, граничные условия и топологические дефекты. Три формы орбитальной гибридизации (sp, sp² и sp³) представляют аллотропы, охватывающие все измерения:

• одномерные цепочки для sp (полиин);
• двумерный лист для sp² (графен);
• трехмерная сеть для sp³ (алмаз).

Кроме того, граничные условия и топологические дефекты позволяют углероду формировать дополнительные аллотропы с уникальной морфологией: например, фуллерен и углеродные нанотрубки, которые обладают необычными электронными и структурными свойствами.


Разнообразие фуллеренов.

Углеродные аллотропы, состоящие из sp² и sp³ атомов С, привлекают внимание исследователей из-за их морфологического разнообразия, которое обусловлено огромным количеством комбинаций sp² и sp³ атомов внутри одной системы. Примером тому могут послужить обработанные высоким давлением и температурой фуллерены (например, C₆₀), которые могут обладать низкой массовой плотностью из-за ковалентных связей между фуллеренами и наноразмерными порами.

Помимо этого есть исследования, в которых описывается быстрое гашение аморфного углерода, что приводит к формированию гибридного аллотропа sp²-sp³ Q-углерода, обладающего магнетизмом и твердостью, превосходящую алмаз.

Углерод можно грубо назвать пластилином в руках ученых, ибо из него можно создать очень много различных по свойствам и функционалу веществ, было бы желание и фантазия.

В данном труде ученые представили теоретическое исследование трехмерного углеродного аллотропа, состоящий из атомов C sp² и sp³ (пентаалмаз). Получить его можно посредством сополимеризации углеводородных молекул, содержащих пентагональные кольца (спиро[2.4]гептан-4.6-диен (C₇H₈) и [5.5.5.5]-фенестран-тетраин).

Пентаалмаз состоит из пятиугольных колец с пространственной группой Fm3m вследствие сополимеризации этих составляющих молекул. Расчеты показали, что у пентаалмаза высокий объемный модуль* 381 ГПа, что составляет примерно 80% от алмазного. Это говорит о том, что пентаалмаз является твердым углеродным аллотропом.

Кроме того, он имеет отрицательный коэффициент Пуассона* (-0.241), что приводит к чрезвычайно высоким модулю Юнга* (1691 ГПа) и модулю сдвига* (1113 ГПа), а это выше, чем у алмаза или других сверхпрочных углеродов.

Объемный модуль упругости* характеристика способности вещества сопротивляться всестороннему сжатию.

Коэффициент Пуассона* отношение относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению.

Модуль Юнга* (модуль упругости) оценка способность материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации.

Модуль сдвига* оценка способности материала сопротивляться сдвиговой деформации.

Пентаалмаз представляет собой полупроводник с непрямой запрещенной зоной* в 2.25 эВ, который, как ожидается, будет обладать высокой подвижностью дырок*.

Запрещенная зона* область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном кристалле.

Дырка* носитель положительного заряда в полупроводниках.

Результаты исследования

Все расчеты проводились на основе теории функционала плотности, реализованной в программном комплексе STATE (STF-ElectronMo).


Изображение 1

На схемах выше показана оптимизированная геометрия пятиугольника с параметром решетки 9.195 и пространственной группой Fm3m. Ковалентная сеть состоит исключительно из пятиугольников, в которых три из пяти ребер разделены соседними пятиугольниками (1а), вследствие сополимеризации C₇H₈ и [5.5.5.5]-фенестран-тетраина, которые поочередно располагаются в вершинах кубической решетки (1b).

Согласно этим составляющим молекулам и их расположению, элементарная ячейка петаалмаза содержит 22 атома углерода: 10 являются атомами sp³ и 12 атомами sp². Кроме того, операторы симметрии, принадлежащие группе Fm3m, сокращают число независимых атомных областей до трех.

Поскольку сеть состоит из атомов углерода sp² (с тройной координацией) и sp³ (с четырехкратной координацией), ковалентные связи классифицируются на две группы. Рассчитанные длины связей, относящиеся к атомам sp³, составляют 1.563 для C1-C1 связей и 1.520 для C2-C3. А вот длина связи (C3-C3) для атомов sp² составляет 1.349 , что подтверждает наличие именно двойной связи у атомов sp².

Как показано на 1а, пентаалмаз обладает большими кубическими порами с ребрами 3.664 , окруженными пятиугольной ковалентной сеткой. Следовательно, он имеет низкую массовую плотность с плотностью 2.26 г/см³, как у графита, но на 36% меньше, чем у алмаза.

Относительная полная энергия пентаалмаза равна 275 мэВ/атом, что соответствует классическому алмазу. Но общая энергия выше, чем у алмаза, графита и других твердых углеродных материалов, хоть и ниже, чем у C60, который, как известно, является метастабильным углеродным аллотропом нульмерного пространство. Умеренная полная энергия объясняется структурным искажением углов связи для атомов sp² и sp³.

Касательно атомов sp³: несмотря на то, что атом C1 имеет почти идеальную sp³ гибридизацию с углом связи 212 = 109.4, С2 атом имеет углы связи 212 = 115.9 и 323 = 101.9, которые шире и уже, чем соответствующие углы связи идеального sp³. Касательно атомов sp²: из-за пятиугольной сети угол связи, относящийся к C3, равен 232 = 133.4 и 233 = 113.3, что также больше и меньше соответствующих углов связи идеального sp².

Умеренная энергия также увеличивает энергию образования (E) пентаалмаза при прямой сополимеризации C₇H₈ и [5.5.5.5]-фенестран-тетраина:

спирононадиен + фенестратетраен = пентаалмаз + 12H₂ + E

Расчетная энергия образования составляет 0.31 эВ/атом, отражая затраты энергии на формирование ковалентной сети sp² и sp³ атомов углерода с искаженными углами связи.

Таким образом, ожидается, что пентаалмаз будет синтезирован с использованием реакции Ульмана на бромоспиро[4.4] нона-2.7-диене и бром[5.5.5.5]-фенестратетраене вместо их первичной формы.

Далее было проведено исследование термостабильности пентаалмаза посредством моделирования молекулярной динамики при температуре 4000 К. Дабы понять, какие могут возникать структурные изменения, расчеты молекулярной динамики выполнялись с постоянной температурой для расширенной атомной клетки (88 атомов углерода) в течение 12 пс (пикосекунд, 1 пс = 1012 с) и для упрощенной (1х1х1) в течение 146 пс.


Изображение 2

По результатам моделирования спустя 14 пс при 4000 К пентаалмаз полностью сохраняет свою первоначальную топологию как в случае сложной, так и упрощенной атомной клетки (график выше).

Следовательно, пентаалмаз является термически и энергетически стабильным, если его синтезировать с использованием соответствующих схем, предложенных в данном труде.


Сравнение свойств пентаалмаза и других углеродных аллотропов.

Механические свойства пентаалмаза были изучены посредством упругих постоянных cij, которые определяются путем оценки конечной разности полной энергии по отношению к деформациям. Рассчитанные значения упругих постоянных составили: 1715.3 ГПа для с₁₁ (= с₂₂ = с₃₃); 283.5 ГПа для с₁₂ (= с₁₃ = с₂₃) и 1187.5 ГПа для с₄₄ (= с₅₅ = c₆₆).

Стоит также отметить, что данные показатели полностью удовлетворяют критерий устойчивости Борна (с₁₁ с₁₂ > 0, с₁₁ + 2с₁₂ > 0 и с₄₄ > 0), что дополнительно свидетельствует о стабильности пентаалмаза.

В случае кубической симметрии объемный модуль упругости рассчитывается по формуле: В = (с₁₁ + 2с₁₂)/3. В результате В был равен 381 ГПа, что составляет более 80% от соответствующего показателя у алмаза. Это говорит о том, что пентаалмаз является потенциальным кандидатом в твердые углеродные аллотропы, хотя его плотность достаточно низкая (как у графита).

Для дальнейшего исследования механических свойств был рассчитан модуль Юнга пентаалмаз по формуле:


где и углы Эйлера*, s_ij упругая податливость, определяемая за счет cij с соотношениями между s₁₁ = [c₁₁ + c₁₂]/[(c₁₁ c₁₂)(c₁₁ + 2c₁₂)], s₁₂ = [-c₁₂]/[(c₁₁ c₁₂)(c₁₁ + 2c₁₂)] и s₄₄ = 1/c₄₄.

Углы Эйлера* углы, описывающие поворот абсолютно твердого тела в трехмерном пространстве.

Изображение 3

Модуль Юнга у пентаалмаза чрезвычайно высок и превышает 1.5 ТПа для всех направлений (3а). Зная модуль Юнга и объемный модуль упругости, можно рассчитать модуль сдвига (3b), который также оказался достаточно высок (1 ТПа) для всех направлений.

Следовательно, пентаалмаз может проявлять чрезвычайную жесткость относительно анизотропных структурных деформаций. Особого внимания требует и тот факт, что, модули Юнга и модуль сдвига выше, чем у других твердых и сверхтвердых углеродных аллотропов (таблица выше).

Столь высокие значения вышеописанных модулей говорят о том, что у пентаалмаза должен быть отрицательный коэффициент Пуассона. Это утверждение было подтверждено расчетами, показавшими коэффициент Пуассона в диапазоне от -0.20 до -0.28 в зависимости от направлений решетки (3с). Такие уникальные показатели приводят к тому, что в пентаалмазе скорость звука также будет достаточно велика (28700 м/с против 12000-18350 м/с у обычного алмаза).


Изображение 4

График выше показывает электронную структуру и плотность состояний пентаалмаза, который представляет собой полупроводник с непрямой запрещенной зоной 2.52 эВ. Валентная зона и зона проводимости расположены в точках L и X соответственно. Самая высокая ветвь валентной зоны и самая низкая ветвь зоны проводимости имеют существенную дисперсию (1 эВ или более).

Потому ожидается, что пентаалмаз будет иметь малые эффективные массы по краям зон: расчетные массы электронов в точке X составляют 0.98 и 0.67 (меньше, чем у алмаза) вдоль направлений к точкам и W соответственно. А вот касательно края валентной зоны ситуация противоположная: рассчитанные массы дырок в точке L составляют 1.59 и 0.76 (больше, чем у алмаза) вдоль направлений к точкам W и соответственно.

Умеренная масса носителей и большая плотность состояний на краях зон предполагают, что пентаалмаз может обладать умеренной подвижностью носителей как для электрона, так и для дырки. Дисперсионное соотношение, а также плотность состояния показывают, что пентаалмаз обладает трехмерной объемной электронной структурой, как у алмаза, что отражает его трехмерную ковалентную сеть с высокой симметрией.


Изображение 5

Для лучшего понимания электронной структуры пентаалмаза ученые провели исследование волновой функции самой высокой ветви и самой нижней ветви пентаалмаза в определенных точках симметрии.

Волновые функции высшей ветви валентной зоны в точках L и распределены по атомам C3, имеющими характер -связи, вследствие их sp²-гибридизации. Волновая функция нижней ветви зоны проводимости в точках и X также распределена по атомам C3 с антисвязывающей -природой. Ученые отмечают, что и валентное состояние, и состояние проводимости являются не чистым -состоянием, а гибридизированными состояниями, содержащими небольшое количество -компонента. Это значит, что электронные состояния вблизи и вокруг краев зон рассматриваются как -электронные состояния димеров sp²C, которые отдалены примерно на 2.6 от его восьми смежных областей.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном исследовании ученые высказали теорию о том, что вполне возможно создать углеродную структуру, свойства которой будут лучше, чем у алмаза. Расчеты, выполненные в ходе исследования, подтвердили эту догадку.

Посредством сополимеризация спиро[2.4]гептан-4.6-диена (C₇H₈) и [5.5.5.5]-фенестран-тетраина с симметрией Fm3m можно синтезировать трехмерную ковалентную пятиугольную сеть атомов углерода sp² и sp³. Свое творение ученые назвали пентаалмазом.

Большинство механических свойств пентаалмаза превосходят соответствующие у известного нам обычного алмаза или у других твердых аллотропов углерода. Любопытно, что пентаалмаз тверже, чем алмаз, но его плотность схожа с плотностью графита.

В будущем ученые намерены перевести теорию в практику. Но даже сейчас их труд явно демонстрирует, что возможности современной науки воистину безграничны, если, конечно, уделять должное внимание деталям, помнить про все нюансы законов природы и не бояться экспериментировать.



Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Преобразование одного вещества в другое, изменение свойств материала под собственные нужды, трансформация материи. Все эти действия сочли бы за колдовство и ересь буквально пару сотен лет назад. Сейчас же это вполне обыденные процессы, которые можно наблюдать в современных лабораториях. Однако есть нечто, что сделать по факту нереально или, как минимум, крайне сложно. В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые из МТИ (Массачусетский технологический институт, США) решили радикально изменить электрические свойства алмаза, превратив его из диэлектрика в проводник. Как это было достигнуто, каковы характеристики алмаза-проводника, и где может пригодиться подобная разработка? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

В далеком 1949 году Кэрол Чэннинг впервые исполнила песню Бриллианты лучшие друзья девушек, которая большинству из нас известна в исполнении Мерлин Монро. Правдиво ли данное высказывание касательно драгоценного камня каждый может судить по себе индивидуально.

Бриллианты это красивые драгоценные камни, которые прекрасно смотрятся в украшениях или на музейных полках. Но вот их предшественники куда интереснее с научной точки зрения. Речь, конечно, об алмазах.

Алмаз это кубическая аллотропная форма углерода. Срок годности этого минерала в нормальных условиях фактически неограничен, так как он является метастабильным материалом. Также всем известен факт того, что алмаз является одним из самых твердых веществ на планете. Физико-химические свойства алмаза сделали его важнейшей составляющей для многих приборов и центром внимания многих исследований. Среди них и труды по электропроводимости, в которых алмазы наделяли свойствами проводника посредством внедрения примесей (например, бора).

Но в таком случае, преобразование алмаза в проводник происходит посредством допирования. Другими словами, сам алмаз по-прежнему остается изолятором.

Однако, как заявляют авторы сего исследования, открытие сверхбольшой упругой деформации в наноразмерном алмазе и более точное описание его электронной и фононной структур посредством машинного обучения позволили расширить спектр манипуляций, которые можно проводить с алмазами.

Получив новые данные и новые инструменты для исследований, ученые задались вопросом: может ли алмаз со сверхширокой запрещенной зоной (5.6 эВ) быть полностью металлизирован исключительно за счет механической деформации без фононной нестабильности, так чтобы его электронная запрещенная зона полностью исчезла? Как оказалось, это вполне реально.

Прежде всего ученые обращают наше внимание на другое исследование (Ultralarge elastic deformation of nanoscale diamond), в котором говорится, что монокристаллические и поликристаллические алмазные наноиглы (диаметр 300 нм) могут быть обратимо деформированы до локальных упругих деформаций растяжения выше 9% и 3.5% при комнатной температуре. Это умозаключение было подтверждено в последующих исследованиях, где объектом изучения были алмазные наноразмерные столбы, полученные с помощью резки образцов природного алмаза сфокусированным ионным лучом.

В рассматриваемом нами сегодня труде наибольшие локальные деформации растяжения 13.4% (ориентация решетки <100>) и 9.6% (ориентация решетки <110>) были достигнуты в наноиглах монокристаллического алмаза с ориентацией при изгибе. При этом соответствующие максимальные локальные деформации сжатия 14
% и -10.1% наблюдаются на стороне сжатия.

Получить такие результаты стало возможным за счет расчетов, экспериментов, моделирования и, что самое важное, машинного обучения, алгоритм которого должен определить оптимальные свойства алмаза для различных геометрий и условий нагрузки путем сканирования всех возможных комбинаций состояний деформации в общем шестимерном (6D) пространстве деформации.

Перед проведением фактического исследования ученые определили ряд основных вопросов, на которые они хотели бы получить ответы:

• можно ли исключительно посредством наложения напряжения металлизировать алмаз при комнатной температуре и давлении? При этом необходимо достичь перехода от его естественного недеформированного состояния со сверхширокой запрещенной зоной (5.6 эВ) до полной металлизации с шириной запрещенной зоны 0 эВ без фононной нестабильности или структурных преобразований (например, графитизация).
• какие состояния деформации и наименьшая плотность энергии деформации необходимы для достижения безопасной металлизации запрещенной зоны?
• насколько такая безопасная металлизация может быть реализована в условиях деформаций, достижимость которых была доказана экспериментально?
• как кристаллографические и геометрические переменные влияют на металлизацию алмаза?
• какие условия запускают преобразование непрямого перехода запрещенной зоны в прямой или конкурирующий переход фазы графитизации в алмазе при деформации?

Результаты исследования

Забегая наперед, можно сказать, что в алмазе можно достичь электронной запрещенной зоны 0 эВ исключительно за счет наложения обратимых упругих деформаций, не вызывая фононную нестабильность или фазовый переход. Это открытие подразумевает, что обратимая металлизация/деметаллизация возможна за счет правильной комбинации условий механической нагрузки и геометрии в наноразмерном алмазе.

Было установлено, что безопасная металлизация может быть достигнута при значениях плотности энергии упругой деформации порядка 95275 мэВ/³. При этом даже незначительный изгиб <110> наноиглы может эффективно уменьшить ширину запрещенной зоны с 5.6 эВ до 0 эВ без фононной нестабильности при локальной упругой деформации сжатия около 10.8%. Однако увеличение напряжения изгиба может вызвать фононную нестабильность, которая приводит к необратимому фазовому переходу sp³ sp² (алмаз графит) или разрушению образца.


Изображение 1

Выше представлены некоторые 6D-состояния деформации, которые приводят к исчезновению запрещенной зоны алмаза без фононной неустойчивости или графитизации. В кристаллографической системе координат [100] [010] [001] расчеты показывают, что одна такая полная и безопасная металлизация происходит, когда локальное состояние деформации 6D составляет (0.0536, -0.0206, -0.056, 0.0785, 0.0493, 0.0567).

На 1A представлен k-график GW* электронной зонной структуры для алмаза, деформированного до 6D состояния, указанного выше, в результате чего получается металл.

GW*: электронные зонные структуры алмаза при деформации растяжения могут быть предсказаны с высокой точностью на основе теории функционала плотности (DFT) с последующими расчетами GW (G функция Грина; W экранированное кулоновское взаимодействие).

Контуры плотности энергии деформации построены в двумерном (2D) пространстве на 1B, где черной звездой отмечен h = 98.7 мэВ/³.


Изображение 2

Изображение выше дополнительно иллюстрирует области безопасной металлизации алмаза без фононной нестабильности, а также демонстрирует обратимые преобразования прямозонный/непрямозонный при больших упругих деформациях.

Прямозонный полупроводник, в котором переход из зоны проводимости в валентную зону не сопровождается потерей импульса.

Непрямозонный полупроводник, в котором переход из зоны проводимости в валентную зону сопровождается потерей импульса.

На 2А показаны возможные состояния деформаций ₁₁, ₂₂, ₃₃, охватывающие от -20% (т.е. деформация сжатия 0.2) до +10% (т.е. деформация растяжения 0.1), в которых индуцируется безопасная металлизация (отмечено коричневым цветом). В свою очередь, 2В является двумерной репрезентацией областей металлизации.

Посредством компьютерного моделирования было установлено два типа безопасной металлизации: прямой металл и непрямой металл (где переход зона-граница непрямой, т.е. из двух разных k-точек).

Двумерная область прямого металла, заштрихованная коричневым цветом, охватывает деформированное состояние, обозначенное звездой из 1В. Эта зона встроена в пространство деформации прямой запрещенной зоны (синяя область на 2B). Область непрямого металла, также заштрихованная коричневым, окружена белой зоной, представляющей пространство деформации для непрямой запрещенной зоны.

На 2С структура GW зоны перенесена в k-пространство, чтобы проиллюстрировать непрямое состояние металла в точке c (2B) внутри зоны безопасной металлизации. 2D и 2Е являются диаграммами зонной структуры, показывающими примеры ненулевых случаев прямой и косвенной запрещенной зоны.

Область, заштрихованная серым цветом вне пунктирных линий, это область больших упругих деформаций и нестабильной металлизации, где происходит фононная неустойчивость, приводящая к зарождению дефектов и/или фазовому переходу. А на 2F видно заметное уменьшение частоты фононов и возникновение мягкой моды, связанной с точкой деформации f на 2B, где имеет место фононная нестабильность и связанный с ней фазовый переход от алмаза к графиту.

Эксперименты показывают, что алмазные наноиглы перед разрушением демонстрируют сверхбольшой упругий изгиб. Такая деформация, приводящая к локальным деформациям сжатия, превышающим -10%, и деформациям растяжения, превышающим 9%, является обратимой после снятия нагрузки.

Далее было проведено моделирование для определения модуляции запрещенной зоны в изогнутых алмазных наноиглах при максимальных уровнях локальной деформации.


Изображение 3

На схеме 3А показан способ, при котором наконечник алмазного индентора надавливает на алмазную наноиглу, вызывая большую деформацию. Был применен метод конечных элементов (МКЭ), позволивший смоделировать латеральный изгибающий момент алмазной иглы во время контакта с острием индентора при учете нелинейной упругости, ориентации кубической решетки относительно оси иглы, направления изгиба и возможного трения между наконечником индентора и иглой.

Изображение 3В это результаты МКЭ моделирования для локальных деформаций сжатия (максимум -10.8%) и растяжения (максимум 9.6%) <110> алмазной наноиглы. Тут же представлены прогнозы распределения ширины запрещенной зоны.

Начало безопасной металлизации появляется на сильно напряженной стороне наноиглы при локальной деформации -10.8% (3C). Также было установлено, что склонность к более металлическому поведению с увеличением деформации не зависит от трения между индентором и наноиглой. <110> наноигла может выдерживать не более 12.1% локальной деформации растяжения до возникновения фононной нестабильности на стороне растяжения при ширине запрещенной зоны 0.62 эВ (3D).


Эволюция плотности энергии упругой деформации, ширины запрещенной зоны и соответствующей зонной структуры в месте максимального сжатия на наноигле, показывающая процесс металлизации алмазной наноиглы при изгибе (соответствует изображению 3).

Сторона наноиглы, где протекает сжатие, куда более устойчива к деформациям. Максимально достижимая деформация сжатия может составлять порядка -20% при ориентации с низким показателем преломления. Следовательно, можно предположить, что есть место для дополнительной упругой деформации после достижения безопасной металлизации в областях с преобладающим сжатием.

Еще одним важным аспектом, определяющим степень деформации и результирующую модуляцию запрещенной зоны, является кристаллографическая ориентация оси наноиглы.

Среди трех изученных типов <110>- и <111>-ориентированные наноиглы требуют относительно меньших деформаций растяжения для уменьшения ширины запрещенной зоны за счет деформации, тогда как ориентация <100> является наиболее сложной ориентацией для уменьшения ширины запрещенной зоны ниже 2 эВ или достижения металлизации. Это можно объяснить различием в гибкости доступа ко всем шести компонентам тензора деформации, выраженным в системе координат [100] [010] [001].

Несмотря на возможность чрезвычайно большой деформации в <100> -ориентированной наноигле, эта ориентация в первую очередь способствует нормальным деформациям, и результирующее максимальное уменьшение ширины запрещенной зоны ограничивается достижением фононной нестабильности, вызывающей разрушение или фазовое преобразование.

А вот для <110> и <111>-ориентированных наноигл намного легче инициировать различные компоненты деформации и, следовательно, легче провести преобразование зонной структуры и достичь модуляции запрещенной зоны.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Ученые заявляют, что помимо рассмотренных в данном труде вариантов алмазных структур, можно создать более сложные геометрические формы с отверстиями и впадинами за счет оптимизации топологии и микро- и наномеханической обработки геометрических элементов, не подвергая металлизированную зону воздействию приповерхностных областей, что еще больше увеличивает возможности металлизации алмаза.

Когда деформированный алмаз превращается в полупроводник с прямой запрещенной зоной, даже только локально в месте максимальной деформации, он будет демонстрировать фундаментальное улучшение оптических переходов вокруг края адсорбции по сравнению с недеформированным алмазом в его естественном состоянии. Поскольку поглощение экспоненциально увеличивается с толщиной материала, устройство преобразования световой энергии на основе полупроводника с прямой запрещенной зоной потребует гораздо меньшей толщины, чтобы поглощать такое же количество света. Следовательно, данный подход может быть использован в разработке новых типов фотодетекторов и излучателей от ультрафиолета до дальнего инфракрасного диапазона, работающих на одном кусочке алмаза.

Также важно отметить, что достижение полной металлизации алмаза в условиях упругих деформаций выше 80 мэВ/3 или при локальной упругой деформации на сжатие или растяжение > 9% является крайне сложным делом. Однако успешная реализация этой разработки может иметь значимый эффект на развитие электроники, оптоэлектроники и систем квантового зондирования.

Однако характеристики системы будут напрямую зависеть от ее практического применения. Другими словами, систему можно будет оптимизировать в зависимости от задач, которые она должна выполнять. На данный момент ученые смогли практическим путем доказать работоспособность своего творения. Пока это лишь концепция, однако она может быстро перейти от теории к практике, учитывая скорость развития технологий выращивания однородных алмазных материалов.

Несмотря на все сложности практической реализации полученных знаний, они по-прежнему остаются крайне важными элементами понимания того, как те или иные материалы с давно определенными свойствами способны менять их в зависимости от внешних факторов.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Японцы в самом деле разработали элементы питания, которые способны работать сотни лет. Их основа синтетические алмазы и радиоактивные изотопы. По словам исследователей, такие батареи подходят, например, для космического оборудования. У них, конечно, есть недостатки, но достоинств тоже немало.

Авторы проекта ученые и инженеры Национального института материаловедения Японии (National Institute of Materials Science, NIMS). Насколько можно понять, японцы собираются коммерциализировать свое изобретение, так что все детали конструкции батарей они не раскрывают. Но, в целом, понять что к чему можно.

Что это за элементы и зачем там алмазы?

Согласно источнику, японская батарея состоит из трех главных элементов. Два из них радиоактивные, а третий, собственно, алмаз. Как и говорилось выше, минерал этот искусственный, так что стоимость всей системы не заоблачная.

Синтетические алмазы многие десятки лет используются в промышленности. Создаются они в лабораторных условиях, характеристики их приближены к природным, но стоимость в несколько десятков раз ниже.

Что касается радиоактивных элементов, то это изотопы углерода и никеля с длительным периодом полураспада. Для углерода-14 он составляет 5700 лет, а для никеля 63-100 лет. Комбинация двух изотопов позволяет увеличить время работы батареи.

Алмазы служат в качестве электродов. Изотопы генерируют бета-излучение, ну а алмазы производят электрический ток. Для того, чтобы защитить окружающую среду и людей, элемент помещается в металлическую оболочку. Стекло, металлы, плексиглас не пропускают бета-излучение, так что обычного алюминия хватит, чтобы сделать батарею полностью безопасной. Она относится к типу бета-гальванических.

Если использовать элементы лишь в космической промышленности, то и проблемы с их утилизацией нет все равно системы отправляются в космос и на другие планеты. Но, если применять алмазные батарейки на Земле, придется разработать безопасный и надежный процесс переработки.

Прототип есть, но кое-что нужно улучшить

Как и говорилось выше, у этого элемента питания есть как достоинства, так и недостатки. Преимущества солидные.

Во-первых, радиоактивные элементы можно брать из отходов АЭС. Изотоп углерода-14 используется во многих отраслях промышленности, в науке и медицине. Так, он применяется для радиоизотопного датирования и диагностики некоторых заболеваний желудочно-кишечного тракта.

При этом отходы АЭС с углеродом-14 (а накапливается он на графитовых стержнях из реакторов). Хранить подобные отходы и дорого, и непросто, поскольку нужны специальные методы защиты. Так что если алмазные батареи пустить на поток, то проблему отходов хотя бы частично можно решить.

Во-вторых, они крайне долговечны, о чем уже не раз было сказано. О запасе энергии можно просто не беспокоиться.

В-третьих, такие элементы надежны. Выходить из строя там особо нечему, разве что при механическом воздействии. Они могут работать даже при высоких температурах, и их можно использовать, в частности, в космическом оборудовании и машинах для разведки полезных ископаемых, сказал Сатоши Коидзуми (Satoshi Koizumi), один из авторов проекта алмазной батареи и сотрудник NIMS.

В-четвертых, конструкция батарей на алмазах проще, чем конструкция РИТЭГ на плутоне, которые используются сейчас в космических аппаратах.

НО. Как всегда есть ложка дегтя во всей этой бочке меда. А именно малая мощность батареи. Прототип выдает пока лишь 1 микроватт мощности, так что для того, чтобы обеспечить энергией космический аппарат, нужна либо огромная батарея, либо доработка элемента. И как раз в этом направлении будут действовать представители NIMS.

Алмазные батареи как тренд

Еще в августе мы писали о том, что американский стартап Nano Diamond Battery представил прототип бета-гальванической батареи, которая способна проработать тысячи лет. И да, там тоже используются алмазы и углерод-14. У американцев также есть прототип, плюс их элемент уже прошел несколько этапов тестирования.



Американский элемент питания не тайна, и протип батарейкиее изучили сторонние ученые. Безопасность и эффективность бета-гальванической батареи подтвердили в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Причем конкуренты прототипа батареи NDB демонстрировали 15% эффективности при производстве энергии. А у разработки калифорнийского стартапа благодаря синтетической алмазной структуре, которая выступает одновременно полупроводником и теплоотводом, эффективность достигла 40%. Внутренний стержень фонит до 28 000 лет, поэтому элементы питания будут работать гораздо дольше, чем техника, в которую они установлены.


Nano Diamond Battery предлагает бета-гальванические батареи в разных форм-факторах, включая привычные АА, AAA, 18650, CR2032 и других. Теоретически они могут работать совместно с литий-ионными батареями, установленными на большинстве современных устройств. При работе алмазная батарейка будет передавать излишки электричества литиевому аккумулятору.

В общем-то, похоже на то, что алмазные элементы новый тренд. Если удастся поднять их мощность, то батареи можно будет использовать не только в космической отрасли, но и на Земле. Конечно, с оглядкой на безопасность, ведь стоит повредить металлическую оболочку, и бета-излучение станет воздействовать на окружающие элемент объекты.

Тем не менее, американцы сохраняют оптимизм. Представьте себе iPhone. Наша разработка полностью заряжала бы вашу батарею с нуля пять раз в час. Представьте себе это. Представьте себе мир, в котором вам вообще не придется заряжать аккумулятор в течение дня. А теперь представьте себе неделю, месяц Как насчет десятилетий? Вот что мы можем сделать с помощью нашей технологии, рассказал о разработке NDB сотрудник стартапа Нил Найкер.