Алмаз — самый твёрдый природный материал, и обычно он не проводит электричество. Но если добавить в его кристаллическую решётку немного чужеродных атомов, он может стать полупроводником, как кремний в компьютерных чипах. Проблема в том, что получить алмаз с электронной проводимостью стабильно не удавалось: фосфор, который «дарит» электроны, плохо встраивался в решётку, и свободных носителей заряда было слишком мало.
Группа исследователей вырастила алмаз, добавив в него сразу три элемента: бор, водород и фосфор. В результате получился кристалл, в котором свободных электронов оказалось в несколько раз больше, чем атомов фосфора. Это значит, что бор и водород помогают фосфору отдавать электроны — как если бы один донор привёл с собой двух помощников, и все трое раздавали бы электрический заряд. Измерения показали: концентрация электронов достигла $10^{19}$ на кубический сантиметр, а сопротивление материала упало до 0,249 Ом·см — это уже уровень хорошего проводника.
Такой алмаз ещё и ярко светится в ультрафиолетовом диапазоне (270–285 нанометров), причём внутренняя эффективность свечения составила 69,4%. Обычный алмаз или алмаз только с бором почти не светятся. Это открывает путь к созданию алмазных светодиодов и лазеров, работающих в ультрафиолете, а также к мощной и быстрой электронике, которая не перегревается.
Исследователи не просто добавили примеси — они нашли способ заставить их работать вместе. Раньше считалось, что достаточно одного фосфора, но он «ленился». Теперь же три элемента действуют сообща, и алмаз превращается из изолятора в полупроводник с хорошей проводимостью. Это как собрать команду, где каждый участник усиливает другого.
Такой материал может стать основой для транзисторов, работающих при высоких температурах и напряжениях, для детекторов ультрафиолета и даже для квантовых устройств. И всё это — из одного и того же кристалла, выращенного за один шаг.
Алмаз проводит тепло лучше меди в пять раз, поэтому алмазные чипы смогут работать на частотах, недоступных кремнию, не перегреваясь.