Diamant, som ofta hyllas för sin oöverträffade hårdhet och transparens, har visat sig vara ett exceptionellt material för högeffektselektronik och nästa generations kvantoptik. Diamant kan konstrueras så att den blir lika elektriskt ledande som en metall genom att tillföra föroreningar, t.ex. grundämnet bor.
Forskare från Case Western Reserve University och University of Illinois Urbana-Champaign har nu upptäckt en annan intressant egenskap hos diamanter med tillsatt bor, så kallade bor-dopade diamanter.
Deras resultat kan bana väg för nya typer av biomedicinska och kvantoptiska enheter – snabbare, effektivare och kapabla att bearbeta information på sätt som klassisk teknik inte kan. Resultaten publiceras i Nature Communications.
Forskarna fann att bor-dopade diamanter uppvisar plasmoner – vågor av elektroner som rör sig när ljus träffar dem – vilket gör att elektriska fält kan kontrolleras och förstärkas på nanometerskala. Detta är viktigt för avancerade biosensorer, optiska enheter i nanoskala och för att förbättra solceller och kvantanordningar.
Tidigare var det känt att bordopade diamanter kunde leda elektricitet och bli supraledare, men inte att de hade plasmoniska egenskaper. Till skillnad från metaller eller till och med andra dopade halvledare förblir bordopade diamanter optiskt klara.
”Diamanten fortsätter att lysa”, säger Giuseppe Strangi, professor i fysik vid Case Western Reserve, ”både bokstavligen och som en ledstjärna för vetenskaplig och teknisk innovation. När vi nu tar ytterligare ett steg in i eran av kvantdatorer och kvantkommunikation kommer upptäckter som denna att föra oss närmare utnyttjandet av materialens fulla potential på deras mest grundläggande nivå.”
”Att förstå hur dopning påverkar den optiska responsen hos halvledare som diamant förändrar vår förståelse för dessa material”, säger Mohan Sankaran, professor i kärnteknik, plasma och radiologi vid Illinois Grainger College of Engineering.
Den fantastiska blå färgen på den berömda Hope Diamond kommer från spårmängder av bor i kristallen. Foto: Julian Fong
Plasmoniska material, som påverkar ljuset på nanonivå, har fängslat människor i århundraden, även innan man förstod de vetenskapliga principerna. De livfulla färgerna i medeltida glasmålningar är resultatet av metallnanopartiklar som är inbäddade i glaset.
När ljuset passerar genom dessa partiklar genereras plasmoner som ger upphov till specifika färger. Nanopartiklar av guld ger en rubinröd färg medan nanopartiklar av silver ger en livfull gul färg. Denna urgamla konst belyser samspelet mellan ljus och materia och har inspirerat till moderna framsteg inom nanoteknik och optik.
Diamanter, som består av genomskinliga kristaller av grundämnet kol, kan syntetiseras med små mängder bor, som ligger intill kol i det periodiska systemet. Bor innehåller en elektron mindre än kol, vilket gör att det kan ta emot elektroner. Bor öppnar i princip upp ett periodiskt elektroniskt ”hål” i materialet, vilket leder till att materialets förmåga att leda ström ökar. Det bor-dopade diamantgittret förblir transparent, med en blå nyans. (Den berömda Hope-diamanten är blå eftersom den innehåller små mängder bor).
På grund av sina andra unika egenskaper- det är också kemiskt inert och biologiskt kompatibelt – kan bordopad diamant potentiellt användas i sammanhang som andra material inte kan, t.ex. för medicinsk avbildning eller högkänsliga biochips eller molekylära sensorer.
Diamanter som syntetiserades vid lågt tryck var banbrytande vid Case Western Reserve (då Case Institute of Technology) 1968 av fakultetsmedlemmen John Angus, som dog 2023. Angus var också den första som rapporterade om den elektriska ledningsförmågan hos diamant dopad med bor…
Mer information om detta: Intervalensplasmoner i bor-dopad diamant, Nature Communications (2025). På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2403.12221
