Ledande diamanter

I en diamant är alla kolatomer bundna till tre fyra andra med starka σ-bindningar. Det gör att det inte finns några fria elektroner som kan leda elektricitet. Därför är diamanter är en av de allra bästa isolatorerna, med en energigap på 5,5 eV mellan valens- och ledningsband. Trots det kan diamanter under vissa förhållanden vara ledande.

Om diamant dopas med bor kommer boratomerna att suga åt sig elektroner och lämna kvar positivt laddade vakanser, hål, som kan leda ström. Bor-dopade diamantelektroder är högsta mode inom elektrokemi. I luft har dimanter ofta en ganska hög ytledningsförmåga. Det upptäcktes för första gången 1989 ¹. Man har haft lite svårt att förklara varför. En teori som lanserades² var att det var en reaktion mellan de väteatomer som ofta binds till diamantytan och det tunna vattenlager som bildas på nästan alla ytor som utsätts för luft. Förklaringen vann aldrig riktigt genomslag då väte-avslutad (övers. av hydrogen-terminated) diamant är väldigt hydrofob, och inget vattenlager borde bildas. Nu har en grupp amerikanska forskare genomfört en serie experiment som otvetydigt visar att det är vattenlagret på väte-avslutade diamantytor som är ansvarigt³.

En väte-avslutad diamantyta har en elektronaffinitet (EA) på -0,3 eV, dvs det kostar 0,3 eV att ge ytan en elektron. Det gör att diamantens valensband ligger 5,2 eV under vakuumnivån. Det betyder att det skulle kosta 5,2 eV att ta ut en elektron från diamanten till vakuum (eller luften, nästan samma sak i det här fallet). Det som ligger bakom ledningsförmågan är reaktionen

O₂ + 4H⁺ + 4e^- ⇄2H₂O

som sker i vatten vid syrliga förhållanden. Vid pH 6, som är det som vatten i jämvikt med luft har p.g.a. att CO₂ i luften bildar kolsyra som sänker pH, har elektronerna en potential på -5,3 eV relativt vakuumnivån. Det lönar sig alltså energimässigt för en elektron från diamanten att reagera med väte och syre för att skapa vatten. Elektronflykten gör att det bildas hål i diamantens ytskikt som leder elektricitet. Man påvisade det väldigt listigt genom att inse att om man tillsätter diamantpulver, som har en väldigt stor yta, till en liten mängd sur vattenlösning så borde reaktionen göra att H⁺ ombildas till vatten vilket ger en höjning av pH-värdet. Resultatet syns nedan. Även flera andra mätningar gjordes som bekräftade hypotesen.Effekten är känslig för vilka ämnen som sitter på diamantytan, det fungerar med väte, men inte med t.ex. syre eller fluor, och vilka ämnen som finns i luften och i vilka mängder. En av de viktigaste insikterna från experimenten är hur omgivningen påverkar hur materialytor uppför sig. På så vis knyter det även väl an till årets Nobelpris i kemi. Elektrokemisk laddningsöverföring kan vara viktig i många sammanhang där man tidigare haft svårt att förklara effekten från föroreningar och liknande, t.ex. nämns glidfriktion som ett område där experiment kan behöva omvärderas. Ännu mer spekulativt, skriver författarna, är möjligheten att vissa insekter kanske kan påverka den elektrokemiska potentialen i sina fötter för att kunna gå på fasta ytor.

¹ M. I. Landstrass, K. V. Ravi, Appl. Phys. Lett. 55, 975(1989).
² F. Maier et al., Phys. Rev. Lett. 85, 3472 (2000).
³ V. Chakrapani et al., Science 318, 1424 (2007).

Andra bloggar om: Vetenskap, kemi.