Vysoká elektrická vodivost zkombinovaná s izolačními schopnostmi

Nový materiál je označován jako Fcc uhlík, podle své plošné centrované krychlové krystalické mřížky (anglicky face-centered cubic crystal lattice). Vyznačuje se neobvyklou hybridizací valenčních orbitalů, která způsobuje nejen vysokou elektrickou vodivost, ale také ultraširoký zakázaný pás. Tedy prázdnou vrstvu v elektronovém obalu atomu, která je typická zejména pro izolanty. Čím širší je, tím lépe by měl prvek izolovat. 

Zároveň díky své šířce může pracovat i při vysokých teplotách, frekvencích a napětí, což je pro standardní polovodiče na bázi křemíku obtížné. Fcc-uhlík má přitom srovnatelnou vodivost jako standardní polovodiče, a to aniž by se do něj musely přidávat další složky k zlepšení polovodivých vlastností, což je pro některé materiály typické. Fcc-uhlík je tak prvním vlastním polovodičem s ultraširokým zakázaným pásem.

Cesta za objevem

O existenci čtvrté základní alotropické modifikaci uhlíku, která by se od prvních třech (diamant, grafit, karbyn) lišila strukturou, se dlouho diskutovalo. Vědcům se ale doteď nikdy nepodařilo objasnit jeho zvláštní krystalickou mřížku a stabilizovat ho jako samostatnou formu uhlíku. 

S výzkumem tohoto materiálu začali už v roce 2020 výzkumníci doc. Antonio Cammarata, Dr. Andrey Bondarev a prof. Tomáš Polcar z katedry řídicí techniky Fakulty elektrotechnické ČVUT. A to ve spolupráci s vědci z Technické univerzity v Berlíně, výzkumného centra Helmholtz-Zentrum Berlin a společností Element Six GmbH. Pokusy tak probíhaly na čtyřech různých pracovištích. U nás na Fakultě elektrotechnické ČVUT to byla například rentgenová fotoelektronová spektroskopie a elektronová mikroskopie. 

Během výzkumu se vědci museli naučit pracovat s novými simulačními technikami i teoriemi a počítat i s neobvyklými fyzikálními jevy, které se u uhlíku nepředpokládají. Nakonec se jim ale podařilo existenci čtvrté modifikace prokázat a výsledky v červenci tohoto roku publikovat v Communications Materials v prestižním vědeckém vydavatelství Nature.

Využití v praxi a příležitost pro studenty

Nový materiál by v budoucnu mohl najít využití ve vysokovýkonové, vysokofrekvenční či vysokoteplotní elektronice. Díky svým vlastnostem se také může použít v radiofrekvenční elektronice, optoelektronice využívající hluboké ultrafialové záření, průhledné elektronice nebo kvantových přístrojích. Kvůli rozmachu umělé inteligence v oboru materiálových věd ale odhadujeme, že v praxi se začne fcc uhlík pravděpodobně využívat až zhruba za 10 let. 

Jste studenti a chcete se zapojit do výzkumu?

Váš první krok by měl být zapsat se do předmětu Prvky atomistických simulací (Elements of Atomistic Simulations), kde doc. Cammarata učí základy klasické a kvantové mechaniky pro navrhování in-silico experimentů v oblasti materiálových věd. Doktorandům je pak určen předmět Výpočetní metody pro materiálové vědy (Computational Methods for Materials Science), kde si své znalosti nadále rozšíří. 

Právě druhý zmíněný předmět absolvoval taky doktorand na katedře řídící techniky a bývalý student programu Kybernetika a robotika, Ing. Matúš Kaintz. Kaintz se teď v rámci svého výzkumu na FEL zaobírá jinou modifikací uhlíku, diamantem, který má rovněž potenciál využití v oblasti elektroniky a optoelektroniky.