Алмаз считается одним из наиболее изученных материалов в мире, однако международная группа исследователей сделала открытие, которое заставляет пересмотреть представления о его свойствах. Оказалось, что сверхтонкие алмазные мембраны могут проявлять пьезоэлектрический эффект — способность генерировать электрический заряд при механической деформации. Это противоречит представлениям, которые существовали более века.
Почему это стало неожиданностью
Классический кристалл алмаза имеет идеально симметричную кристаллическую структуру. Именно из-за этой симметрии физики считали, что он не может быть пьезоэлектриком.
Однако исследователи решили изучить не массивный кристалл, а чрезвычайно тонкие алмазные мембраны. На таком уровне атомная структура уже не остается идеально симметричной, что и позволило материалу проявить свойство, которое ранее считалось невозможным для алмаза.
Как ученые убедились, что это не ошибка
Одной из главных задач было доказать, что зафиксированный электрический сигнал действительно возникает в результате пьезоэлектрического эффекта, а не является следствием обычной электризации поверхности при трении.
Для этого команда многократно сгибала алмазные мембраны в контролируемых условиях, изменяла параметры эксперимента и анализировала воспроизводимость результатов. Стабильный электрический сигнал, четко соответствующий механическим деформациям, подтвердил: источником напряжения является именно пьезоэлектрический эффект.
Прорыв стал возможен благодаря новой технологии
Это открытие стало возможным после разработки в 2024 году метода быстрого получения больших и сверхтонких алмазных мембран.
Данная технология позволяет изготавливать самонесущую алмазную мембрану диаметром около 5,1 см примерно за 10 секунд. Важно, что такие мембраны совместимы со стандартными методами микропроизводства, используемыми в полупроводниковой промышленности. Это открывает возможность интегрировать их в современные электронные и фотонные устройства.
Где может понадобиться новое открытие
Если удастся масштабировать эту технологию, пьезоэлектрический алмаз может стать основой для нового поколения электроники.
Среди потенциальных областей применения:
- сверхчувствительные датчики;
- MEMS- и NEMS-устройства;
- квантовая электроника;
- элементы памяти;
- фотонные процессоры;
- электроника, предназначенная для работы при высоких температурах, в космосе или в агрессивных промышленных средах.
Пришлось пересмотреть старые представления
Само по себе это открытие не означает, что любой алмаз теперь можно использовать в качестве пьезоэлемента. Речь идет исключительно о сверхтонких мембранах, в которых из-за особенностей атомного строения нарушается симметрия кристалла.
Впрочем, это открытие показывает, что даже материалы, которые десятилетиями считались полностью изученными, могут таить в себе неожиданные свойства. Если новую технологию удастся довести до промышленного производства, алмаз может найти совершенно новые сферы применения — от квантовых компьютеров до сверхточных датчиков и микроэлектроники следующего поколения.
