Более 100 лет считалось невозможным: сверхтонкий алмаз начал вырабатывать электричество
Более ста лет физика твердого тела не сомневалась: алмаз — эталон диэлектрика и асимметричного совершенства, но пьезоэлектриком ему не быть. Симметрия его кристаллической решетки исключает возможность возникновения разности потенциалов при деформации. Однако исследователи из Университета Гонконга только что перечеркнули этот догмат, доказав, что в мире нанотехнологий даже устоявшиеся законы можно обойти.
Секрет кроется не в самой кристаллической решетке, а в дефектах. Группа ученых создала гибкие поликристаллические алмазные мембраны, где отдельные микрокристаллы сращены между собой. Границы зерен нарушают идеальную локальную симметрию, и именно эти зоны становятся источником неожиданного эффекта. Когда мембрану сгибают, в зонах стыковки кристаллов меняется распределение электрических зарядов, что и порождает напряжение между поверхностями пленки.
Наиболее впечатляющий результат продемонстрировал образец толщиной около пяти микрон. Его коэффициент напряжения достиг 82,2 мВ·м/Н — это выше, чем у многих коммерчески распространенных пьезоэлектриков, которые сегодня используются в датчиках и актуаторах. При этом алмазная мембрана оказалась не просто чувствительной, но и исключительно живучей: она выдержала более семи тысяч циклов изгиба с деформацией 0,35% без потери электрического отклика. Для сравнения, контрольные эксперименты с монокристаллическим алмазом и стеклом сопоставимой толщины не дали сколь-либо значимого результата, что подтверждает решающую роль именно межзеренных границ.
Практический потенциал открытия выходит далеко за рамки лабораторного курьеза. Алмаз исторически считается одним из самых химически инертных и механически прочных материалов, а его биосовместимость открывает двери для медицины. Речь идет о создании миниатюрных имплантируемых датчиков, которые могли бы питаться от естественных движений тела, или сверхчувствительных сенсоров деформации для аэрокосмической отрасли и робототехники. В сочетании с гибкостью, достигнутой в тонкопленочной форме, алмаз внезапно стал серьезным конкурентом для традиционных пьезокерамик в тех сферах, где требуется экстремальная надежность и устойчивость к агрессивным средам.
Работа, опубликованная в мартовском номере Science Advances, не только переворачивает страницу в учебниках, но и предлагает инженерам новый инструмент. Вопрос теперь за технологией производства и масштабированием, но сам факт того, что «невозможное» оказалось возможным на стыке материаловедения и нанотехнологий, обещает скорый пересмотр привычных подходов к проектированию микроэлектроники будущего.
