Từ lâu kim cương đã được biết đến là vật liệu cứng nhất trong tất cả các vật liệu tự nhiên, kim cương cũng là chất dẫn nhiệt và cách điện đặc biệt. Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra cách để tác động vào kim cương một cách có kiểm soát và biến đổi các đặc tính điện từ của chúng, biến chúng từ chất cách điện thành chất bán dẫn, chất dẫn điện cao hoặc chất dẫn điện như kim loại. Điều này có thể được tạo ra một cách tự động và có thể điều khiển theo ý muốn mà không làm giảm chất lượng kim cương.

Nghiên cứu vẫn còn ở giai đoạn xây dựng khái niệm ban đầu nhưng hoàn toàn có thể mở ra một loạt các ứng dụng tiềm năng, bao gồm các loại pin mặt trời băng thông rộng, đèn LED hiệu quả cao, các thiết bị điện tử mạnh mẽ và các thiết bị quang học hoặc cảm biến lượng tử mới. Nghiên cứu được tiến hành bởi nhóm các nhà khoa học đến từ Đại học Công nghệ Massachusetts ở Mỹ kết hợp với một số nhà khoa học đến từ Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore và Đại học Khoa học và Công nghệ Moscow ở Nga.

Phát hiện của họ dựa trên các mô phỏng, tính toán và các kết quả thí nghiệm. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kết hợp các tính toán cơ học lượng tử, phân tích biến dạng cơ học và học máy để chứng minh rằng hiện tượng biến đổi tính chất dẫn điện thực sự có thể xảy ra trong kim cương nano.

Chìa khóa của công trình này là một thuộc tính được gọi là bandgap (có thể hiểu đơn giản bandgap là năng lượng cần cung cấp cho electron để biến nó từ chỗ bị giữ lại chuyển thành di chuyển tự do). Về cơ bản, bandgap xác định cách các electron có thể dễ dàng di chuyển trong vật liệu, do đó, đặc tính này quyết định tính dẫn điện của vật liệu. Kim cương thường có một bandgap rất rộng là 5,6 eV, có nghĩa là nó là một chất cách điện mạnh mà các electron hầu như không thể di chuyển qua. Trong các mô phỏng mới nhất của mình, các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng bandgap của kim cương có thể thay đổi dần dần, liên tục và thuận nghịch. Chính điều này cung cấp một loạt các đặc tính điện từ, biến kim cương từ chất cách điện chuyển thành chất bán dẫn, hoặc thậm chí là kim loại.

Quá trình biến đổi tính chất kim cương không chỉ yêu cầu điều chỉnh lượng biến dạng phù hợp mà còn phải định hướng đúng cho mạng tinh thể của kim cương, để ngăn không cho cấu hình nguyên tử vượt qua điểm giới hạn và biến kim cương thành than chì, một loại vật liệu mềm được sử dụng trong bút chì. Do đó kim cương vẫn giữ được các đặc tính của chính nó. Như vậy, nói đúng hơn các nhà khoa học phát hiện ra cách trang bị thêm tính dẫn điện mạnh như kim loại cho kim cương, chứ không hoàn toàn biến nó thành kim loại.

Bên cạnh đó, có thể biến đổi kim cương thành chất bán dẫn với nhiều ứng dụng tiềm năng. Chẳng hạn như ứng dụng cho pin mặt trời, kim cương bán dẫn cung cấp khả năng thu năng lượng hiệu quả hơn nhiều từ ánh sáng mặt trời và giúp chúng mỏng hơn nhiều so với các vật liệu như silicon. Chi tiết tham khảo tại:

Zhe Shi, Ming Dao, Evgenii Tsymbalov, Alexander Shapeev, Ju Li, and Subra Suresh. Metallization of diamond. PNAS, 2020 DOI: 10.1073/pnas.2013565117

(Sưu tầm)
VIỆN IMC
Tòa nhà IMC Tower, Số 176 Trường Chinh, Phường Khương
Thượng, Quận Đống Đa, Thành phố Hà Nội, Việt Nam
Tel/Fax : (+84) 24 3566 6232 / 24 3566 6234
Email: contact@imc.org.vn   Website: http://imc.org.vn