香港大学(HKU)的研究人员发现，超薄、高柔性的钻石膜能够产生可测量的压电响应，挑战了一个存在超过一个世纪的科学假设。该研究由香港大学电气与计算机工程系副教授朱志勤教授和机械工程系林源教授领导。\n\n钻石打破百年规则\n自20世纪初以来，钻石通常被分类为非压电材料，这意味着它在机械变形时不会产生电压。这个限制塑造了钻石在工程中的使用方式。尽管其具有卓越的硬度、强度、化学稳定性、高声速、热导率、介电击穿强度和超宽带隙，但钻石通常仅作为其他压电材料在微电机械系统(MEMS)中的结构支撑。因此，“从钻石中发电”的想法长期以来被认为是不切实际的。\n\n将钻石做薄到可以弯曲\n为了测试钻石在极端机械条件下是否会有不同的表现，HKU团队使用一种新开发的边缘剥离方法制作了超薄柔性的多晶钻石膜。将材料减薄到如此程度，使得通常刚硬的钻石能比块状钻石更大程度地弯曲。当研究人员故意弯曲这块膜时，他们观察到了稳定的电压信号。然后，该团队在仔细控制的条件下进行了广泛的机械循环实验，以确保电输出是真实的。这些测试旨在排除环境干扰和摩擦电效应，这种效应可以在表面接触或摩擦时产生电信号。电压的出现是一致且重复的，提供了强有力的证据表明钻石膜本身正在产生压电响应。\n\n grain boundaries 产生电效应\n为了理解这一效应为何发生，研究人员进行了详细的第一性原理计算。分析表明多晶钻石膜内部的晶界存在不对称性。这些晶界分隔了构成材料的许多微小钻石晶体。随着膜的弯曲变得更强烈，电荷极化围绕这些晶界积累。这在膜的上下表面之间产生了电势差，进而生成了观察到的电压。\n\n 医疗设备和微型电源系统的潜力\n这一发现为钻石在耐用性和安全性尤为重要的领域开启了新的可能性。钻石具有高度的生物相容性、化学稳定性和无毒性，使其在医疗和能源相关技术中具有吸引力。未来，压电钻石膜可能用于可植入的医疗设备，作为自发电源或作为能检测弯曲和变形的传感器。更广泛地说，这一发现为赋予钻石主动电功能引入了一种新方式，而不仅仅将其用作被动结构材料。这项研究还可能支持下一代高可靠性微能源系统和自供电传感技术的发展。