光电金刚石装置揭示了一种意想不到的现象让人联想到慢动作的闪电

从很多方面来说，钻石都是终极材料。除了经久不衰的美学价值外，钻石还是一种用途极为广泛的工业材料。尽管钻石作为科学界已知的最坚硬物质的地位已被极其稀有的矿物和新开发的合成材料所取代，但它在许多材料特性排名中仍名列前茅。

钻石的导热能力(即“热导率”)是无与伦比的，它还为量子比特(量子位)提供了理想的宿主环境，而量子比特目前正在彻底改变磁场传感器，有朝一日可能实现室温量子计算。

也许不太为人所知的是，金刚石也是高功率电子设备的终极材料：这种电路元件对于发电厂、配电变电站、电动汽车和其他新兴技术至关重要。

至少理论上如此。

钻石很硬

目前，这些技术都不使用金刚石，绝大多数都使用硅，而硅需要保持低温并且工作电压受到限制。

由于硅的局限性，大约10%的电力被浪费，而钻石可以将这些损失减少75%。那么，为什么我们不驾驶配备钻石电力电子设备的电动汽车呢?

因为钻石很硬。它很难制造，很难与金属连接，很难制成大尺寸，也很难用合适的杂质来调整其电气特性——所有这些都是电子元件大规模生产所必需的。

我们还不完全了解电荷在钻石内部如何流动，以及不可避免的杂质和缺陷如何影响这些电学特性。

观看钻石令人激动不已

在最近发表在《先进材料》上的一项研究中，我们与墨尔本大学、皇家墨尔本理工大学和纽约城市大学的同事一起进行了这项研究，试图将金刚石光电装置的电气测量与3D光学显微镜相结合。

我们的目的是了解其他人在独立使用这两种技术(电测量和光学显微镜)时报告的几个有趣的发现。

通过将它们结合起来，我们第一次能够以惊人的三维细节看到当电荷进入并穿过金刚石电子设备时发生的情况。

为了实现这一点，我们在金刚石晶格中使用了由位于晶格间隙旁边的氮原子形成的杂质-称为氮空位或NV中心。

这些NV中心被称为传感器，可以在量子计算中充当量子位。

NV中心可以是中性的，也可以带负电的，我们可以通过监测这些缺陷的电荷来检测钻石中流动的电荷。

在我们的显微镜下，中性NV看起来比负NV中心稍微更橙色，因此我们可以创建电流流动位置的图像。

我们的实验包括一颗具有许多NV中心的钻石，钻石内部涂有两个金属电极。

我们使用绿色激光在钻石中产生电流(类似于太阳能电池中将光转化为电的过程)，然后观察并记录电流流向何处。

我们的技术绘制出了电荷随时间产生和流动的完整三维结构。

我们看到的景象是出乎意料的。

实验过程的动画。图片来源：AlexanderA.Wood

慢动作微型雷击

电流似乎以细长的、类似流光的细丝从设备的一侧流到另一侧，这些细丝从金属电极上的特定点开始(成核)。

它让人想起了雷击。

您可能听说过闪电来自地面而不是云层。闪电发生前，一道看不见的电离气体飞速通道(称为“阶梯式先导”)从云层下降到地面。

这条领导者被地面上的特征所吸引，例如高大的树木或建筑物上的避雷针。

这个先导在空中留下的通道为可见闪电的回击提供了一条高导电路径，然后可见闪电从地面射出，形成一道分叉的、曲折的耀眼闪光。

真正的闪电是在微秒(百万分之一秒)内流过数千安培的电流，但钻石中发生的过程也遵循类似的原理，只是它以皮安(一安培的万亿分之一)为单位并且以整秒为单位。

在我们的金刚石电路中，电子(不可见的“领导者”)被吸引到金属到金刚石连接上的特定特征(“地线”)。

当电子流动时，它们会在后面形成导电性增强的丝状通道，正电荷会沿着这些通道以我们通过显微镜捕捉到的“回程”方式流动。

电子为何在细丝中流动?我们至今还不知道。

设计更好的金刚石电子产品和量子计算机

我们认为电极上这些特定的“接地”特征(类似于吸引闪电的树木和摩天大楼)实际上是与钻石的电接触比其他点更好的点。

我们可以使用我们的技术来精确定位这些焦点，使其成为一个强大的诊断工具，可以揭示在电子设备中创建良好的金属到金刚石连接的问题。

通过这项研究，我们还表明，我们可以设计金刚石中NV中心的电荷状态来改变电流的流动方式。

我们基本上是用激光在钻石内部绘制图案，给NV中心和其他杂质“充电”，并创建一种电路。这是创建光学可重构钻石电子设备的潜在基础。

我们的工作开辟了一个全新的研究领域，即控制钻石中的电荷传输并对结果进行成像。这对于新兴的高功率电子学和量子技术都很重要。

我们还可以将我们的技术应用于电子应用领域更为先进的其他材料，例如碳化硅，它已经为新一代电动汽车提供动力。

希望它能促进电子器件与量子材料接口技术的进步，以及使用金刚石建造室温量子计算机。

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！