Неожиданный пьезоэффект
Долгое время алмаз воспринимали как пассивный материал — сверхпрочный, химически инертный и пригодный лишь для механических узлов. Именно поэтому его применяли в компонентах микроэлектромеханических систем. Пьезоэлектрические же материалы, знакомые по пьезозажигалкам и датчикам, умеют превращать нажатие или изгиб в электрический сигнал. Теперь выяснилось, что и алмаз в сверхтонкой поликристаллической форме способен на нечто подобное.
Исследователи Гонконгского университета создали гибкую мембрану из поликристаллического алмаза, состоящую из множества мельчайших кристаллов. В отличие от монолитного алмаза, такая плёнка может изгибаться, и при этом она стабильно генерирует электрическое напряжение.
Работу возглавили профессор Чу Чжицинь с кафедры электротехники и компьютерной инженерии и профессор Юань Линь с кафедры машиностроения.
Роль границ между кристаллами
Чтобы убедиться, что напряжение возникает именно из-за деформации, а не из-за трения поверхностей или внешних условий, команда провела серию повторных испытаний. С помощью компьютерных расчётов учёные установили: решающую роль играют границы между отдельными кристаллами в поликристаллическом алмазе.
При изгибе мембраны вблизи этих границ возникает неравномерное распределение электрического заряда. В результате между верхней и нижней поверхностями мембраны образуется разность потенциалов.
Новое открытие разрушает прежнее представление о том, что алмаз лишён пьезоэлектрических свойств. Теперь его можно рассматривать не только как конструкционный, но и как функциональный электроактивный материал. Среди потенциальных применений — датчики, микросистемы для сбора энергии и медицинские имплантаты.
- сенсоры
- микросистемы для получения энергии
- медицинские имплантаты
Способность алмазной мембраны одновременно реагировать на деформацию и вырабатывать небольшое количество энергии делает её перспективной для автономных устройств. Это может снизить зависимость электроники от традиционных батарей и добавить новые функции сенсорным технологиям, что в конечном счёте повысит эффективность и надёжность приборов в повседневной жизни.
В то время как алмазная мембрана открывает новые горизонты в области электроактивных материалов, в сфере микроэлектроники также ведутся важные разработки. Например, Пентагон выделил значительные средства на создание микрочипов, которые используют алмазы для борьбы с перегревом. Эти технологии могут дополнить возможности новых пьезоэлектрических систем, таких как инновационные решения для охлаждения, обеспечивая более эффективную работу электронных устройств.