Меню

Почему алмаз не проводит электрический ток а графит проводит электрический ток

Учёные выяснили, как изолятор алмаз превратить в проводник и полупроводник

Как и мифический философский камень для алхимиков, алмаз может стать тем материалом, который изменит представление о производстве электроники. Как выяснила международная группа учёных, механическая деформация превращает алмазы из изолятора в полупроводники и проводники. Более того, это превращение обратимое и управляемое, что может открыть путь к улучшению едва ли не всего спектра электронных приборов от транзисторов до солнечных батарей.

Сразу поясним, данные исследования находятся на очень ранней стадии, фактически — на этапе теоретического обоснования и компьютерного моделирования. До изготовления каких-либо электронных приборов из деформируемых управляемым образом алмазов очень и очень далеко. Тем не менее, индустрия производства искусственных алмазов развивается настолько быстро, что последующая практическая реализация разработок может пойти как по маслу.

Что касается идеи, которая лежит в основе проекта по управляемой деформации кристаллической решётки, то она не нова и уже используется, например, при производстве полупроводников в виде так называемого напряжённого кремния. Но в случае производства напряжённого кремния кристаллическая решётка деформируется примерно на 1 % своей структуры, тогда как алмаз допускает без разрушения деформации до 10 % структуры, а это позволяет лепить из него хоть полупроводник, хоть проводник с высочайшей проводимостью.

Суть превращения в том, что механическая деформация меняет ширину запрещённой зоны алмаза. Изначально она очень велика — 5,6 электронвольт. Электронам в узлах кристаллической решётки крайне тяжело преодолеть такой энергетический барьер и поэтому алмаз является отличным изолятором для электрического тока. Механическая деформация, как показало компьютерное моделирование с использованием данных квантовой механики и машинного обучения, так меняет кристаллическую структуру алмаза, что ширина запрещённой зоны уменьшается с 5,6 электронвольт до 0 и может быть восстановлена обратно.

В красной области деформированной наноиглы алмаза материал становится прводником (иллюстрация из статьи)

В красной области деформированной наноиглы алмаза материал становится проводником (иллюстрация из статьи)

Проще говоря, алмаз может стать элементом затвора транзистора, светодиодом или весьма эффективным элементом солнечной панели, который по своей простоте и КПД окажется способным превзойти все современные комплексные аналоги.

Читайте также:  Нет тока ваз 21074

Добавим, исследование провели учёные из Массачусетского технологического института, Наньянского технологического университета (NTU) Сингапура и два сотрудника Сколтеха: Евгений Цымбалов и Александр Шапеев. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Источник

Физики заставили алмаз проводить электрический ток

Структурный состав алмаза говорит о том, что данная порода не может проводить электрический ток. И на протяжении долгого времени считалось, что невозможно поменять такие свойства. Но ученые пришли к выводам, что при определенном физическом воздействии алмаз все таки сможет стать полупроводником.

По физическим свойствам алмаз считается самой прочной горной породой, что в свою очередь делает его уникальным материалом. Но невозможность пропуска электрического тока является не лучшей стороной данного материала. Ученые считают, что если какими то способами удастся пропустить ток через алмаз, то есть сделать из него полупроводник, то такая возможность откроет огромную область возможных применений. К примеру можно разработать новейшие типы солнечных компонентов или в производстве светодиодов, обладающих высокой эффективностью.

По разработанной физиками теории, полупроводниковость алмазу можно придать путем специального деформирования наночастиц кристаллической решетки алмаза, тем самым предатутся свойства проводящие электрический ток.

В процессе работы по созданию подобных деформаций, ученые прибегали к комбинациям, основанных на квантово-механических расчетах. Такая работа почерпнула опыт предшествующих испытаний, в ходе которых ученые изгибали без разрушения микроскопические иглы, выполненные из алмаза. По ходу экспериментов были сделаны выводы, что существует возможность многократного изгибания и растягивания без разрушения. Еще одним интересным фактом стало то, что после окончания воздействия алмазный образец восстанавливал свою первоначальную форму и не изменял внутреннюю структуру.

Проведенный новый эксперимент говорит о том, что при деформациях изменяется ширина запрещенной зоны, которая в свою очередь отвечает за способность материала проводить электрический ток. Тем самым этот параметр разделяет такие понятия как изолятор и проводник. В теории путем медленного расширения такой зоны, позволит превратить алмаз в проводник, при соблюдении большого количества условий, касающихся кристаллической решетки.

Читайте также:  Дать определение силы тока в 1 а в системе си

Источник



Графит и его применение в электротехнике

Название «графит» происходит от греческого слова «графо» — писать. Данный минерал представляет собой одну из модификаций углерода, обладающую характерной слоистой структурой. Сохранились исторические свидетельства применения графита в древности в качестве красящего средства, — это глиняная посуда, датированная 40 веком до нашей эры, раскрашенная при помощи данного минерала.

Современное название графит получил в 1789 году от немецкого геолога и педагога Абраама Готлоба Вернера, который в числе прочего занимался изучением пластов осадочных пород, а также разработал шкалы для определения минералов по внешним признакам.

Графит в электротехнике

В природе графит образуется на небольшой глубине, благодаря метаморфизму горных пород, содержащих в составе органические остатки. По физико-химическим свойствам графит представляет собой кристаллическое тугоплавкое вещество, слегка жирное на ощупь, черного или серого цвета, с характерным металлическим блеском.

По сравнению с алмазом графит очень мягкий, благодаря слоистой структуре атомной решетки. Атомы углерода расположены в графите послойно, причем расстояние между слоями больше чем между атомами в одном слое, и электроны, которые связывают слои между собой, образуют сплошное электронное облако – вот почему графит является проводником тока и имеет характерный металлический блеск.

Графит и алмаз

При плотности от 2,08 до 2,23 г/см 3 , его удельное электрическое сопротивление при комнатной температуре в 765 раз выше чем у меди.

В отличие от алмаза, графит хорошо проводит как электричество, так и тепло. Мягкость графита (в смеси с каолином) применяется в карандашах. Если посмотреть на графит под микроскопом, легко заметить чешуйки, именно они остаются на бумаге формируя след, когда мы используем карандаш.

Графит под микроскопом

Физические и химические особенности графита открыли его широкое применение в различной электротехнике. Благодаря химической стойкости к агрессивным водным растворам, тугоплавкости и высокой электропроводности, из графита изготавливают электроды и нагревательные элементы разнообразного назначения. Например, при получении активных металлов с помощью электролиза, именно из графита делают электроды.

Читайте также:  Зависимость напряжения от частоты переменного тока формула

При получении алюминия, графит сам улетучивается из зоны реакции электролизера в составе углекислого газа, так что нет необходимости применять иные сложные меры по его утилизации.

Графитовые электроды электродуговой печи

Высокоомные токопроводящие клеи в качестве проводящего компонента содержат как раз графит. Ну и все, конечно, знают, что именно из графита делают различные контактные щетки и токосъемники электрического оборудования (коллекторные двигатели на электротранспорте и подъемных кранах, контакты токовых реостатов и т.п.), где необходим подвижный и в то же время надежный электрический контакт.

Графитовые щетки для электродвигателя

Но если мы сказали, что графит такой мягкий, как же из него тогда делают щетки коллекторных узлов, которые постоянно трутся о контактные пластины и кольца? Ведь очень часто графитовые щетки можно встретить в бытовых приборах: в миксере, электробритве, кофемолке, электродрели, болгарке и т. д. В чем же здесь секрет? Почему щетки мгновенно не изнашиваются подобно карандашу?

А суть в том, что щетки для электротехники изготавливают не из чистого графита, а из графита с добавлением связующего вещества, да еще и подвергают специальной обработке. Технология производства щеток достаточно сложна, она включает в себя процессы прессования и обжига, что делает щетки более прочными и износостойкими.

Так, на последнем этапе производства, электрографитовые щетки насыщают углеродом в печи при температуре в 2500 градусов! Металлографитовые щетки содержат порошки металлов и сажу.

Существуют твердые, средние и мягкие электрографитовые щетки. Мягкие щетки:

ЭГ-4 и ЭГ-71; ЭГ-14 — средние, универсальные;

ЭГ-8 и ЭГ-74 — твердые, они содержат в своем составе абразивный порошок.

Твердые щетки применяются в условиях высоких температур и затрудненной коммутации, так что входящий в состав щетки абразив придает щетке дополнительную чистящую функцию, когда щетка не только передает ток на коллектор, но и сразу чистит его от нагара.

Источник