Diamantes alongados podem ser a chave para microeletrônica da próxima geração

Diamantes cultivados em laboratório. (Imagem de GrownDiamond, Pixabay).

Uma equipe internacional de pesquisadores conduziu um estudo que mostra o potencial dos diamantes deformados como principais candidatos para dispositivos funcionais avançados em microeletrônica, fotônica e tecnologias de informação quântica.

Em detalhes, o grupo liderado por cientistas da City University de Hong Kong demonstrou pela primeira vez o grande esforço elástico de tração uniforme de matrizes de diamante microfabricadas por meio da abordagem nanomecânica.

Lu Yang, um dos co-autores do estudo, disse que os diamantes são considerados materiais eletrônicos e fotônicos de alto desempenho devido à sua condutividade térmica ultra-alta, excepcional mobilidade do portador de carga elétrica, alta resistência à quebra e bandgap ultra-largo.

Bandgap é uma propriedade chave em semicondutores, e amplo bandgap permite a operação de dispositivos de alta potência ou alta frequência.

No entanto, o grande bandgap e a estrutura do cristal apertada dos diamantes tornam difícil "dopar", uma maneira comum de modular as propriedades eletrônicas dos semicondutores durante a produção. Isso dificulta a aplicação industrial dos diamantes em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos.

Uma alternativa potencial é por “engenharia de deformação”, isto é, aplicar uma deformação de rede muito grande para alterar a estrutura da banda eletrônica e as propriedades funcionais associadas, algo que Lu e seus colaboradores descobriram que era possível fazer com diamantes em nanoescala. Essa descoberta permitiu aos cientistas continuar pesquisando como desenvolver dispositivos de diamante funcionais.

A equipe primeiro microfabricou amostras de diamante monocristalino a partir de cristais únicos de diamante sólido. As amostras tinham a forma de uma ponte - cerca de um micrômetro de comprimento e 300 nanômetros de largura, com ambas as extremidades mais largas para serem agarradas.

As pontes de diamante foram então esticadas uniaxialmente de uma maneira bem controlada em um microscópio eletrônico. Sob ciclos de carga-descarga contínua e controlável por testes de tração quantitativos, as pontes de diamante demonstraram uma grande deformação elástica altamente uniforme de cerca de 7,5% de deformação em toda a seção de calibre da amostra, em vez de deformar em uma área localizada na flexão. E eles recuperaram sua forma original após o descarregamento.

A equipe então realizou cálculos de teoria funcional de densidade para estimar o impacto da deformação elástica de 0 a 12% nas propriedades eletrônicas dos diamantes. Os resultados da simulação indicaram que o bandgap de diamantes geralmente diminuiu conforme a deformação de tração aumentou, com a maior taxa de redução de bandgap caindo de cerca de 5 eV para 3 eV em cerca de 9% de deformação junto com uma orientação cristalina específica.

Os resultados dos cálculos também mostraram que o bandgap pode mudar de indireto para direto com as deformações de tração maiores que 9% ao longo de outra orientação cristalina. O bandgap direto em semicondutores significa que um elétron pode emitir diretamente um fóton, permitindo muitas aplicações optoeletrônicas com maior eficiência.

Essas descobertas são um passo inicial na obtenção de engenharia de deformação elástica profunda de diamantes microfabricados.

“Acredito que uma nova era para os diamantes está à nossa frente”, disse Lu em um comunicado à mídia.