钻石也能导电！打破传统印象！
钻石，火了！不管在科研界，还是产业界，甚至时尚圈，俨然成为网红的代言！
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证明：可以通过一种以可控的方式微调钻石小针，以改变其电子特性，使它们从绝缘性（通过半导体）一直绝缘到高导电性或金属性。这可以被动态地诱导并且可以任意地逆转，而不会破坏金刚石材料，也就是说钻石在纳米尺度的变形过后，可以像金属一样具有导电性！
金刚石纳米针具有导电性 （来源：NTU官网）
在我们的印象里，钻石属于非金属材料的一种，以超高硬度，绝缘性和高导热性在研究领域备受关注，尤其是近期第三代半导体热度浪潮扑面而来。金刚石作为超宽禁带半导体的代表，被誉为“终极半导体”，在高频功率特性、高温性能稳定和低能量损耗等优势引起了学术界的广泛关注，将逐渐发展成为支撑信息、 能源、 交通、 先进制造、 国防等领域发展的重点新材料。抢占“芯”机，挑战解决卡脖子事件，还成为科研、产业、投资界热点事件！那么钻石如果能够导电，其应用格局将会更加广阔！
而且，我们都知道，钻石的导热系数远高于传统的金属导体，并且能服役于极强电场。如果晶格中存在可自由移动的传导电子，钻石将在电子器件领域具有重要应用空间。因此，理论和实验工作者都大量研究并报导了掺硼钻石的具有导电，甚至超导的现象，实现了外部引入载流子的无损耗传导。
但麻省理工和南洋理工的研究人员打破常规，突破固有思维印象！用理论实践模拟钻石也可以是导体，可以导电！
这如何实现？
钻石晶体中，碳原子通过三维强共价sp3杂化轨道成键，并形成正四面体结构。其价电子高度局域在共价键区域，不参与导电，因此，钻石是一种宽带隙绝缘体，而且是具有5.6eV的超宽带隙！如果想要材料中的电子要想形成电流，需要提供大量的能量才可以激活。反过来说，如果材料的带隙越小的话，电流就更容易形成。
因此，研究人员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，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。并且通过弯曲钻石探针来实现这一点。
机器学习帮助预测纳米针应变分布 （来源：PNAS）
实验证明，随着金刚石纳米针上应变的增加，其估计的带隙会缩小，这表明其具有更高的导电性，而在针头断裂前，这种带隙就可以逐渐减小甚至完全消失！那么也就是说，钻石可以用一种可控方式，在纳米尺度上，从绝缘体、半导体，甚至导电性一直拔高到高导电金属的水平！并且实现金刚石在纳米级的这种金属化操作，可以是在不损耗金刚石材料的前提下可逆进行，即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实现！
NTU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，这项科学研究仍处于早期阶段，但它揭示了进一步开发具有空前性能的潜在设备的机会。 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。
议题参考