Ультратонкий алмаз может генерировать стабильное напряжение при изгибе, демонстрируя скрытое электромеханическое свойство, которое может найти применение в миниатюрных сенсорных и энергетических системах (концепт художника). Источник: SciTechDaily.com

Исследователи обнаружили неожиданный электрический отклик в ультратонких алмазных мембранах, что ставит под сомнение существовавшее на протяжении столетия представление об этом материале.

Алмаз известен своей устойчивостью к давлению, теплу, химическим веществам и износу.Однако теперь исследователи показали, что при достаточной толщине он также может генерировать электричество при изгибе.Ультратонкая алмазная мембрана генерировала стабильные сигналы напряжения при механическом воздействии, опровергая давнее представление о том, что алмаз принципиально не является пьезоэлектриком.

Работу возглавили профессор Чжицинь Чу с факультета электротехники и вычислительной техники и профессор Юань Линь с факультета машиностроения Гонконгского университета (HKU).

Более ста лет алмаз считался материалом, не способным преобразовывать механическую деформацию в электрический заряд. Исключительная твердость, прочность, теплопроводность, химическая стабильность, скорость распространения акустических волн, электрическая прочность и сверхширокая запрещенная зона сделали алмаз ценным материалом для современных устройств, но обычно его использовали только как прочную структурную основу для отдельных пьезоэлектрических слоев в микроэлектромеханических системах (МЭМС). В результате идея получения электричества непосредственно из алмаза считалась нереалистичной.

Ультратонкие поликристаллические алмазные мембраны реагируют на заряженные объекты. Источник: Университет Гонконга

Гибкие мембраны делают алмаз чувствительным

Используя недавно разработанный метод краевой эксфолиации, исследователи из Университета Гонконга создали ультратонкую и гибкую поликристаллическую алмазную мембрану. Благодаря такой толщине материала обычно твердый алмаз может существенно изгибаться, и эта деформация стабильно приводит к появлению измеримых сигналов напряжения.

Чтобы убедиться, что сигналы не вызваны помехами окружающей среды или трибоэлектрическими артефактами, возникающими при контакте и трении, исследователи многократно сгибали мембрану в нескольких контролируемых условиях. Стабильный и воспроизводимый электрический выход подтвердил, что алмазная мембрана обладает пьезоэлектрическим эффектом.

Междисциплинарная исследовательская группа под руководством профессора Чжицинь Чу (вторая слева) и профессора Юань Линя (третья слева). Фото: Университет Гонконга

Границы зерен генерируют напряжение

Согласно расчетам из первых принципов, эффект в основном связан с асимметричными границами зерен — интерфейсами, на которых встречаются отдельные кристаллы алмаза внутри мембраны. По мере увеличения изгиба вдоль этих границ накапливался электрический заряд, что приводило к возникновению разницы напряжений между верхней и нижней поверхностями мембраны.

Алмаз биосовместим, химически стабилен и нетоксичен, поэтому этот эффект может быть полезен в медицинских и энергетических технологиях. Например, в будущих имплантируемых устройствах пьезоэлектрические алмазные мембраны могут использоваться в качестве датчиков деформации или источников питания, генерирующих собственное электричество.

Полученные результаты расширяют возможности применения алмаза, выходя за рамки его традиционной роли в качестве материала для механической поддержки. Они также могут помочь в разработке надежных миниатюрных энергетических систем и сенсорных устройств, работающих без внешнего источника питания.