Diamant, der oft für seine unübertroffene Härte und Transparenz gefeiert wird, hat sich zu einem außergewöhnlichen Material für Hochleistungselektronik und Quantenoptik der nächsten Generation entwickelt. Durch den Einbau von Verunreinigungen wie dem Element Bor kann Diamant so hergestellt werden, dass er genauso elektrisch leitfähig ist wie ein Metall.
Forscher der Case Western Reserve University und der University of Illinois Urbana-Champaign haben nun eine weitere interessante Eigenschaft von Diamanten mit zugesetztem Bor entdeckt, sogenannte Bor-dotierte Diamanten. Ihre Erkenntnisse könnten den Weg für neue Arten biomedizinischer und quantenoptischer Geräte ebnen – schneller, effizienter und in der Lage, Informationen auf eine Weise zu verarbeiten, die mit klassischen Technologien nicht möglich ist. Ihre Ergebnisse werden heute in veröffentlicht Naturkommunikation.
Die Forscher fanden heraus, dass mit Bor dotierte Diamanten Plasmonen aufweisen – Elektronenwellen, die sich bewegen, wenn Licht auf sie trifft – und so elektrische Felder im Nanometerbereich steuern und verstärken können. Dies ist wichtig für fortschrittliche Biosensoren, optische Geräte im Nanomaßstab sowie für die Verbesserung von Solarzellen und Quantengeräten. Bisher war bekannt, dass mit Bor dotierte Diamanten Elektrizität leiten und zu Supraleitern werden, jedoch keine plasmonischen Eigenschaften besitzen. Im Gegensatz zu Metallen oder sogar anderen dotierten Halbleitern bleiben mit Bor dotierte Diamanten optisch klar.
„Diamant glänzt weiterhin“, sagte Giuseppe Strangi, Professor für Physik am Case Western Reserve, „sowohl im wahrsten Sinne des Wortes als auch als Leuchtfeuer für wissenschaftliche und technologische Innovation. Je weiter wir in die Ära des Quantencomputings und der Quantenkommunikation vordringen, desto mehr bringen uns Entdeckungen wie diese näher.“ um das volle Potenzial von Materialien auf ihrer grundlegendsten Ebene auszuschöpfen.“
„Zu verstehen, wie sich Dotierung auf die optische Reaktion von Halbleitern wie Diamant auswirkt, verändert unser Verständnis dieser Materialien“, sagte Mohan Sankaran, Professor für Nuklear-, Plasma- und Radiotechnik am Illinois Grainger College of Engineering.
Plasmonische Materialien, die Licht im Nanomaßstab beeinflussen, faszinieren die Menschen schon seit Jahrhunderten, noch bevor ihre wissenschaftlichen Prinzipien verstanden wurden. Die leuchtenden Farben mittelalterlicher Buntglasfenster entstehen durch in das Glas eingebettete Metallnanopartikel. Wenn Licht durchdringt, erzeugen diese Partikel Plasmonen, die bestimmte Farben erzeugen. Gold-Nanopartikel erscheinen rubinrot, während Silber-Nanopartikel ein leuchtendes Gelb aufweisen. Diese alte Kunst beleuchtet die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und inspiriert moderne Fortschritte in der Nanotechnologie und Optik.
Diamanten bestehen aus transparenten Kristallen des Elements Kohlenstoff und können mit kleinen Mengen Bor neben Kohlenstoff im Periodensystem synthetisiert werden. Bor enthält ein Elektron weniger als Kohlenstoff und kann daher Elektronen aufnehmen. Bor öffnet im Wesentlichen ein periodisches elektronisches „Loch“ im Material, das die Fähigkeit des Materials erhöht, Strom zu leiten. Das mit Bor dotierte Diamantgitter bleibt transparent und hat einen blauen Farbton. (Der berühmte Hope-Diamant ist blau, weil er geringe Mengen Bor enthält).
Aufgrund seiner anderen einzigartigen Eigenschaften – er ist außerdem chemisch inert und biologisch verträglich – könnte mit Bor dotierter Diamant möglicherweise in Zusammenhängen verwendet werden, in denen andere Materialien nicht möglich wären, beispielsweise für die medizinische Bildgebung oder hochempfindliche Biochips oder molekulare Sensoren.
Bei niedrigem Druck synthetisierte Diamanten wurden 1968 am Case Western Reserve (damals Case Institute of Technology) von dem 2023 verstorbenen Fakultätsmitglied John Angus entwickelt. Angus war auch der erste, der über die elektrische Leitfähigkeit von mit Bor dotiertem Diamant berichtete.
Strangi und Sankaran arbeiteten mit Souvik Bhattacharya, dem Hauptautor, zusammen; Jonathan Boyd, Case Western Reserve; Sven Reichardt und Ludger Wirtz, Universität Luxemburg; Valentin Allard, Aude Lereu und Amir Hossein Talebi, Universität Marseille; und Nicolo Maccaferri, Universität Umeå, Schweden.
Die Forschung wurde von der National Science Foundation unterstützt.
