美國研究人員在摻硼金剛石中發現了一種新特性——等離激元效應。這可能使生物醫學和量子光學設備更加高效,并能以傳統技術無法實現的方式處理信息。相關論文13日發表于《自然-通訊》雜志。

金剛石正在成為大功率電子器件和下一代量子光學技術中的關鍵材料。通過摻入硼等雜質,科學家能夠調整金剛石的特性,使其具備接近金屬的導電性能。

凱斯西儲大學與伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校團隊發現,摻硼金剛石還能表現出另一種特殊的等離激元特性:當受到光照時,其內部電子會集體振蕩,產生強烈的局部電場增強效果。這種能力對于開發先進的生物傳感器、納米光學組件、提升太陽能電池和量子器件性能至關重要。值得注意的是,盡管其他半導體或金屬也具有類似性質,但它們通常不透明,而摻硼金剛石則保留了光學透明性,這賦予它額外的優勢。

等離激元現象是指光與物質相互作用時,在納米尺度上形成的電磁波模式。這種現象早在幾個世紀前就已出現在藝術作品中,比如中世紀教堂彩色玻璃窗上的絢麗色彩,就是由嵌入玻璃內的金屬納米顆粒產生的等離激元效應造成的。

因為金剛石是由碳原子組成的透明晶體結構,所以當加入少量硼時,硼比碳少一個電子,可在材料內形成周期性的電子“空穴”,從而增加材料的導電性。金剛石依然保持透明且帶有藍色調。摻硼金剛石還具有化學惰性和生物相容性,因此可用于醫學成像、高靈敏度生物芯片和分子傳感器。