El diamante es el material más duro de la naturaleza. Pero fuera de muchas expectativas, también tiene un gran potencial como excelente material electrónico. 

Un equipo de investigación conjunto dirigido por la City University of Hong Kong (CityU) ha demostrado por primera vez el gran esfuerzo elástico de tracción uniforme de las matrices de diamantes microfabricadas a través del enfoque nanomecánico. Sus hallazgos han demostrado el potencial de los diamantes tensados ​​como candidatos principales para dispositivos funcionales avanzados en microelectrónica, fotónica y tecnologías de información cuántica.

La investigación fue codirigida por el Dr. Lu Yang, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica (MNE) de CityU e investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y el Instituto de Tecnología de Harbin (HIT). Sus hallazgos se han publicado recientemente en la revista científica Science , titulada «Lograr una gran elasticidad de tracción uniforme en un diamante microfabricado».

«Esta es la primera vez que se muestra la elasticidad extremadamente grande y uniforme del diamante mediante experimentos de tracción. Nuestros hallazgos demuestran la posibilidad de desarrollar dispositivos electrónicos mediante ‘ingeniería de deformación elástica profunda’ de estructuras diamantadas microfabricadas», dijo el Dr. Lu.

Diamante: «Monte Everest» de materiales electrónicos

Bien conocido por su dureza, las aplicaciones industriales de los diamantes suelen ser el corte, la perforación o el esmerilado. Pero el diamante también se considera un material electrónico y fotónico de alto rendimiento debido a su conductividad térmica ultra alta, excepcional movilidad del portador de carga eléctrica, alta resistencia a la ruptura y banda prohibida ultra ancha. Bandgap es una propiedad clave en semiconductores, y bandgap amplio permite el funcionamiento de dispositivos de alta potencia o alta frecuencia. «Es por eso que el diamante puede considerarse como el ‘Monte Everest’ de los materiales electrónicos, que posee todas estas excelentes propiedades», dijo el Dr. Lu.

Sin embargo, la gran banda prohibida y la estructura cristalina estrecha del diamante dificultan el «dopado», una forma común de modular las propiedades electrónicas de los semiconductores durante la producción, lo que dificulta la aplicación industrial del diamante en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. Una alternativa potencial es la «ingeniería de deformación», es decir, aplicar una deformación reticular muy grande, para cambiar la estructura de la banda electrónica y las propiedades funcionales asociadas. Pero se consideró «imposible» para el diamante debido a su dureza extremadamente alta.

Luego, en 2018, el Dr. Lu y sus colaboradores descubrieron que, sorprendentemente, el diamante a nanoescala se puede doblar elásticamente con una gran tensión local inesperada. Este descubrimiento sugiere que el cambio de propiedades físicas en el diamante a través de la ingeniería de deformación elástica puede ser posible. Basado en esto, el último estudio mostró cómo este fenómeno se puede utilizar para desarrollar dispositivos de diamante funcionales.

Esfuerzo de tracción uniforme en toda la muestra

En primer lugar, el equipo microfabricado muestras de diamantes monocristalinos a partir de monocristales de diamantes sólidos. Las muestras tenían forma de puente, de aproximadamente un micrómetro de largo y 300 nanómetros de ancho, con ambos extremos más anchos para agarrar (ver imagen: Tensión de puentes de diamante). Los puentes de diamante se estiraron luego uniaxialmente de una manera bien controlada dentro de un microscopio electrónico. Bajo ciclos de carga-descarga continua y controlable de ensayos cuantitativos de tracción, los puentes de diamante demostraron una gran deformación elástica altamente uniforme de aproximadamente un 7,5% de deformación en toda la sección de calibre de la muestra, en lugar de deformarse en un área localizada en flexión. Y recuperaron su forma original después de descargar.

Al optimizar aún más la geometría de la muestra utilizando el estándar de la Sociedad Estadounidense de Ensayos y Materiales (ASTM), lograron una deformación de tracción uniforme máxima de hasta el 9,7%, que incluso superó el valor local máximo en el estudio de 2018, y estuvo cerca del teórico límite elástico del diamante. Más importante aún, para demostrar el concepto de dispositivo de diamante deformado, el equipo también se dio cuenta de la deformación elástica de matrices de diamantes microfabricadas.

Ajuste de la banda prohibida por tensiones elásticas

Luego, el equipo realizó cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para estimar el impacto del esfuerzo elástico de 0 a 12% en las propiedades electrónicas del diamante. Los resultados de la simulación indicaron que la banda prohibida del diamante generalmente disminuyó a medida que aumentaba la deformación por tracción, con la mayor tasa de reducción de banda prohibida desde aproximadamente 5 eV a 3 eV a aproximadamente 9% de deformación a lo largo de una orientación cristalina específica. El equipo realizó un análisis de espectroscopía de pérdida de energía de electrones en una muestra de diamante pretensado y verificó esta tendencia a la disminución de la banda prohibida.

Los resultados de sus cálculos también mostraron que, curiosamente, la banda prohibida podría cambiar de indirecta a directa con las deformaciones por tracción superiores al 9% a lo largo de otra orientación cristalina. La banda prohibida directa en semiconductores significa que un electrón puede emitir directamente un fotón, lo que permite muchas aplicaciones optoelectrónicas con mayor eficiencia.

Estos hallazgos son un primer paso para lograr una ingeniería de deformación elástica profunda de diamantes microfabricados. Mediante un enfoque nanomecánico, el equipo demostró que la estructura de la banda del diamante se puede cambiar y, lo que es más importante, estos cambios pueden ser continuos y reversibles, lo que permite diferentes aplicaciones, desde sistemas micro / nanoelectromecánicos (MEMS / NEMS), transistores de ingeniería de deformación, hasta nuevos tecnologías optoelectrónicas y cuánticas. «Creo que nos espera una nueva era para el diamante», dijo el Dr. Lu.

La investigación en CityU fue financiada por el Consejo de Subvenciones de Investigación de Hong Kong y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.

Fuente: City University of Hong Kong