Le diamant dispose d’une bande interdite très large, c’est-à-dire qu’un apport d’énergie important est nécessaire avant de pouvoir créer un courant électrique dans le matériau ; cela en fait donc un très bon isolant utilisé dans de nombreuses technologies. Cependant, une collaboration internationale (NTU, MIT et Skoltech) de physiciens a récemment montré qu’en déformant le diamant à l’échelle nanométrique, il est alors possible de modifier sa bande interdite pour en faire un très bon conducteur d’électricité comme les métaux. Des résultats qui promettent des applications dans plusieurs domaines technologiques comme l’automobile, l’imagerie biomédicale ou encore la détection quantique.
À l’aide de simulations informatiques, l’équipe, qui comprend également des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies de Skolkovo (Skoltech), en Russie, a montré que la contrainte mécanique appliquée aux aiguilles de diamant à l’échelle nanométrique pouvait modifier leur géométrie de manière réversible et donc leurs propriétés électriques, leur conférant une conductivité métallique à température et pression ambiantes.
L’étude, publiée dans la revue PNAS, pourrait conduire à de futures applications dans l’électronique de puissance utilisée dans une grande variété de machines, des voitures et des appareils électriques aux réseaux intelligents ; les diodes électroluminescentes (LED) ; les dispositifs optiques ; et la détection quantique, qui améliore ce que les capteurs peuvent faire actuellement.
Conductivité électrique du diamant : de nombreuses applications potentielles
Cette avancée fait suite à une découverte expérimentale par une équipe de physiciens dirigée par le professeur Suresh, qui a rapporté dans un article de 2018 publié dans la revue Science que des nanoaiguilles en diamant — chacune environ mille fois plus mince qu’une mèche de cheveux humains — peuvent être pliées et étirées sensiblement, de sorte qu’elles retrouvent leur forme sans être endommagées lorsque la contrainte est relâchée.
La dureté et la rigidité exceptionnellement élevées du diamant, ainsi que ses nombreuses propriétés physiques extrêmes, en font un matériau candidat pour une grande variété d’applications. Les nouvelles découvertes ouvrent également la voie à de nouvelles applications du diamant dans les domaines de l’information quantique, de l’électronique de puissance et de la photonique, y compris la conception de capteurs quantiques, de photodétecteurs et d’émetteurs très efficaces, et d’applications en imagerie biomédicale.
« La capacité de concevoir la conductivité électrique du diamant sans changer sa composition chimique et sa stabilité offre une flexibilité sans précédent pour concevoir des fonctions sur mesure. Les méthodes démontrées dans ce travail pourraient être appliquées à une large gamme d’autres matériaux semi-conducteurs d’intérêt technologique dans les applications mécaniques, microélectroniques, biomédicales, énergétiques et photoniques, grâce à l’ingénierie des contraintes », explique Surresh.
De l’isolant au conducteur électrique
Les matériaux qui laissent passer facilement un courant électrique sont appelés conducteurs électriques, tandis que les matériaux tels que le diamant qui ne le sont pas sont les isolants électriques. Le diamant dans la plupart des formes est un bon isolant électrique en raison de sa bande interdite ultra-large de 5.6 électrons-volts (eV). Cela signifie qu’une grande quantité d’énergie est nécessaire pour exciter les électrons dans le matériau avant qu’ils puissent agir comme porteurs dans un courant électrique.
Plus la bande interdite est petite, plus il est facile pour un courant de circuler. À l’aide de simulations informatiques impliquant la mécanique quantique, des analyses de la déformation mécanique et l’apprentissage automatique, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient réduire cette bande interdite en déformant élastiquement la nanoaiguille en diamant.
Une bande interdite réduite à zéro
Ils ont montré qu’à mesure que la quantité de contraintes sur la nanoaiguille en diamant augmentait, sa bande interdite se rétrécissait — un indicateur d’une plus grande conductivité électrique. La bande interdite a complètement disparu près de la quantité maximale de tension que l’aiguille pouvait supporter avant de se fracturer. Ils ont en outre montré qu’une telle métallisation du diamant à l’échelle nanométrique pouvait être obtenue sans déclencher une instabilité des phonons ou une transformation de phase du diamant au graphite.
Animation montrant la réduction à zéro de la bande interdite (Bandgap) au niveau de la déformation centrale de la nanoaiguille de diamant :
Les chercheurs ont ensuite utilisé les résultats de la simulation pour former des algorithmes d’apprentissage automatique afin d’identifier les conditions générales, permettant d’obtenir une conductivité électrique optimale du diamant à l’échelle nanométrique dans diverses configurations géométriques. Cette recherche, encore à un stade précoce, montre des opportunités pour le développement de dispositifs potentiels avec des propriétés et des performances sans précédent.
« Nous avons constaté qu’il est possible de réduire la bande interdite de 5.6 eV à zéro. Le fait est que si vous pouvez passer continuellement de 5.6 à zéro eV, alors vous couvrez toute la gamme des bandes interdites. Grâce à l’ingénierie des contraintes, vous pouvez faire en sorte que le diamant ait la bande interdite du silicium, qui est le plus largement utilisé comme semi-conducteur, ou du nitrure de gallium, qui est utilisé pour les LED. Vous pouvez même le faire devenir un détecteur infrarouge », conclut Ju Li.
Vidéo expliquant la découverte des chercheurs :
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]