Алмаз, который часто славится своей непревзойденной твердостью и прозрачностью, стал исключительным материалом для мощной электроники и квантовой оптики нового поколения. Алмаз можно сделать таким же электропроводящим, как металл, путем введения примесей, например, бора. Исследователи из Университета Кейс Вестерн Резерв и Университета Иллинойса Урбана-Шампейн обнаружили еще одно интересное свойство алмазов с добавлением бора, известных как легированные бором алмазы. Это открытие может проложить путь к созданию новых типов биомедицинских и квантовых оптических устройств — более быстрых, эффективных и способных обрабатывать информацию так, как не могут классические технологии. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Ученые обнаружили, что алмазы, легированные бором, демонстрируют плазмоны — волны электронов, которые движутся при попадании на них света, — что позволяет управлять электрическими полями и усиливать их в нанометровом масштабе. Это важно для передовых биосенсоров, наноразмерных оптических устройств, а также для улучшения солнечных батарей и квантовых приборов.
Ранее было известно, что алмазы, легированные бором, проводят электричество и становятся сверхпроводниками, но не обладают плазмонными свойствами. В отличие от металлов или даже других легированных полупроводников, алмазы, легированные бором, остаются оптически прозрачными. «Алмаз продолжает сиять, — сказал Джузеппе Странджи, профессор физики, — как в буквальном смысле, так и в качестве маяка для научных и технологических инноваций. По мере того как мы вступаем в эру квантовых вычислений и коммуникаций, подобные открытия приближают нас к использованию всего потенциала материалов на их фундаментальном уровне».
«Понимание того, как легирование влияет на оптический отклик полупроводников, таких как алмаз, меняет наше представление об этих материалах», — сказал Мохан Санкаран, профессор ядерной, плазменной и радиологической инженерии в инженерном колледже Грейнджера в Иллинойсе.
Плазмонные материалы, которые воздействуют на свет в наномасштабе, очаровывали людей на протяжении веков, еще до того, как были поняты их научные принципы. Яркие цвета в средневековых витражах получаются благодаря металлическим наночастицам, встроенным в стекло. Когда через них проходит свет, эти частицы генерируют плазмоны, которые создают определенные цвета. Наночастицы золота кажутся рубиново-красными, а наночастицы серебра – ярко-желтыми. Это древнее искусство подчеркивает взаимодействие между светом и материей и вдохновляет на современные открытия в области нанотехнологий и оптики.
Алмазы, состоящие из прозрачных кристаллов элемента углерода, могут быть синтезированы с использованием небольшого количества бора, соседствующего с углеродом в периодической таблице. Бор содержит на один электрон меньше, чем углерод, что позволяет ему принимать электроны. По сути, бор открывает в материале периодическую электронную «дыру», которая увеличивает способность проводить ток. Решетка алмаза, легированного бором, остается прозрачной, с голубым оттенком. (Знаменитый бриллиант Хоупа имеет голубой цвет, потому что содержит небольшое количество бора).
Благодаря другим уникальным свойствам — химической инертности и биологической совместимости — алмаз, легированный бором, потенциально может применяться в тех областях, где другие материалы не могут быть использованы, например, для медицинской визуализации, высокочувствительных биочипов или молекулярных датчиков.
