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다이아몬드 바늘 구부리면-반도체-전도체로 변화.
양자기술 및 광자, 광 검출기 또는 생체 의학 이미징에 응용.

다이아몬드에도 전기가 흐를 수 있다!
굽힘은 다이아몬드 바늘을 절연체에서 반도체 또는 도체로 바꾼다.

놀라운 변화 :
일반적으로 다이아몬드는 효과적인 절연체이며 전기를 전도하지 않는다.
그러나 얇은 다이아몬드 바늘을 구부리면 변화한다. 연구원들이 발견한 것처럼 탄소 결정은 먼저 반도체가 된 다음 효과적인 전도체가 된다. 이것은 다양한 전자 응용 분야에서 나노 다이아몬드를 사용할 수 있는 완전히 새로운 가능성을 열어준다.

▲ 작은 다이아몬드 바늘을 구부리면 비전도성 보석이 전기 전도체가 된다. © Amit Banerjee / Kyoto University

다이아몬드는 탐나는 보석일 뿐만 아니라 컴팩트한 탄소 격자로 인해 가장 단단한 천연 소재이다. 크리스탈 격자는 강한 압력을 견딜 수 있지만 일반적으로 탄성보다 다루기 어렵다.
그러나 나노 규모에서 변화한다. 보석에서 불과 300nm(나노미터)의 얇은 다이아몬드 바늘을 형성하면 과학자들이 2018년에 발견한 것처럼 놀랍도록 구부러질 수 있다.

구부릴 때 밴드 갭이 줄어든다.

이것이 전부는 아니다.
MIT (Massachusetts Institute of Technology)의 쯔헤 시(Zhe Shi)와 동료들이 최근 발견했듯이 구부릴 때 다이아몬드의 전기적 특성도 근본적으로 변한다.
일반적으로 다이아몬드는 전기를 전도하지 않으며 효과적인 절연체이다.
그 이유는 5.6eV(전자볼트)의 넓은 밴드 갭으로, 복합물에서 탄소 전자만 방출하고 상대적으로 많은 양의 에너지가 공급된 후 전하 운반자로 전환된다.

그러나 다이아몬드 바늘을 구부리면 변경된다.
변형을 위해 결정 격자의 원자를 서로 약간 이동시켜 밴드 갭을 변경한다.
바늘이 강하게 구부러질수록 바늘이 작아지고 다이아몬드의 전자가 더 많이 움직인다.
결과적으로 다이아몬드 결정은 실험에서 보인 바와 같이 절연체에서 반도체로, 마지막으로 전류 전도체로 변환한다.

▲ 빛나는 다이아몬드 Author : Mario Sarto

부도체에서 전류 도체로

즉, 다이아몬드를 구부리기 만하면 비전도성 재료에서 전류 도체로 변환 할 수 있다.
"우리의 발견은 나노 다이아몬드의 가역적인 금속화/탈 금속화가 그에 따라 기계적 부하와 기하학적 구조를 조정함으로써 가능하다는 것을 증명한다"고 Shi와 그의 팀은 말했다.
다이아몬드의 밴드 갭은 5.6eV에서 0eV로 지속적으로 줄일 수 있다.

보다 상세한 분석과 모델링을 통해 다이아몬드 결정의 이러한 ‘변형’이 가역적이며 화학적 변화를 일으키지 않음을 확인했다. 최대로 휠 수 있는 한계를 초과하고 기계적 압력이 너무 커질 때만 그리드가 파손되거나 다이아몬드 구조에서 흑연으로 변경된다.

다양한 응용 분야에 맞춤

흥미로운 점은 이런 기계적 제어를 통해 다이아몬드의 전기적 특성을 모든 가능한 전자 응용 분야에 적용 할 수 있다는 것이다. 연구팀에 따르면 이러한 다이아몬드 바늘은 예를 들어 양자 기술 및 광자, 광 검출기 또는 생체 의학 이미징에 사용될 수 있다.

Shi의 동료 주 리(Ju Li)는 "굽힘에 따라 다이아몬드에 일반적인 반도체 실리콘 또는 LED에 사용되는 질화 갈륨의 밴드 갭을 줄일 수 있다"고 말했다.
다이아몬드의 전기 전도도가 선택적으로 변경될 수 있다는 사실은 크리스탈 맞춤 기능을 제공할 수있는 전례없는 기회를 열어준다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; doi: 10.1073/pnas.2013565117)
출처 : MIT (Massachusetts Institute of Technology), Nanyang Technological University

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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