Діамант вважається одним із найкраще вивчених матеріалів у світі, однак міжнародна група дослідників зробила відкриття, яке змушує переглянути уявлення про його властивості. Виявилося, що надтонкі діамантові мембрани можуть проявляти п’єзоелектричний ефект — здатність виробляти електричний заряд під час механічної деформації. Це суперечить уявленням, які існували понад століття.
Чому це стало несподіванкою
Класичний кристал діаманта має ідеально симетричну кристалічну структуру. Саме через цю симетрію фізики вважали, що він не може бути п’єзоелектриком.
Однак дослідники вирішили вивчити не масивний кристал, а надзвичайно тонкі діамантові мембрани. На такому рівні атомна структура вже не залишається ідеально симетричною, що й дозволило матеріалу проявити властивість, яку раніше вважали неможливою для діаманта.
Як вчені переконалися, що це не помилка
Одним із головних викликів було довести, що зафіксований електричний сигнал справді виникає через п’єзоелектричний ефект, а не є наслідком звичайної електризації поверхні під час тертя.
Для цього команда багаторазово згинала діамантові мембрани у контрольованих умовах, змінювала параметри експерименту та аналізувала повторюваність результатів. Стабільний електричний сигнал, який чітко відповідав механічним деформаціям, підтвердив: джерелом напруги є саме п’єзоелектричний ефект.
Прорив став можливим завдяки новій технології
Відкриття стало можливим після розробки у 2024 році методу швидкого отримання великих і надтонких діамантових мембран.
Технологія дозволяє відокремлювати самонесучу діамантову мембрану діаметром близько 5,1 см приблизно за 10 секунд. Важливо, що такі мембрани сумісні зі стандартними методами мікровиробництва, які використовуються у напівпровідниковій промисловості. Це відкриває можливість інтегрувати їх у сучасні електронні та фотонні пристрої.
Де може знадобитися нове відкриття
Якщо технологію вдасться масштабувати, п’єзоелектричний діамант може стати основою для нового покоління електроніки.
Серед потенційних напрямків застосування:
- надчутливі датчики;
- MEMS- і NEMS-пристрої;
- квантова електроніка;
- елементи пам’яті;
- фотонні процесори;
- електроніка для роботи за високих температур, у космосі або агресивних промислових середовищах.
Старі уявлення довелося переглянути
Саме відкриття не означає, що будь-який діамант тепер можна використовувати як п’єзоелектрик. Йдеться лише про надтонкі мембрани, в яких через особливості атомної будови порушується симетрія кристала.
Втім, це відкриття демонструє, що навіть матеріали, які десятиліттями вважалися повністю дослідженими, можуть приховувати несподівані властивості. Якщо нову технологію вдасться довести до промислового виробництва, діамант може знайти зовсім нові сфери застосування — від квантових комп’ютерів до надточних сенсорів і мікроелектроніки наступного покоління.
