Tecnologia Científica

Transformando diamante em metal
Normalmente um isolante, o diamante se torna um condutor metálico quando submetido a grande deformação em um novo modelo teórico.
Por David L. Chandler - 05/10/2020


Os pesquisadores descobriram uma maneira de transformar as propriedades eletrônicas das agulhas de diamante em nanoescala. Créditos :Imagem: MIT News

Há muito conhecido como o mais duro de todos os materiais naturais, os diamantes também são condutores térmicos e isolantes elétricos excepcionais. Agora, os pesquisadores descobriram uma maneira de ajustar minúsculas agulhas de diamante de forma controlada para transformar suas propriedades eletrônicas, discando-as de isolante, por meio de semicondutor, até altamente condutivo ou metálico. Isso pode ser induzido dinamicamente e revertido à vontade, sem degradação do material de diamante.

A pesquisa, embora ainda em um estágio inicial de prova de conceito, pode abrir uma ampla gama de aplicações potenciais, incluindo novos tipos de células solares de banda larga, LEDs altamente eficientes e eletrônica de potência e novos dispositivos ópticos ou sensores quânticos, os pesquisadores dizer.

Suas descobertas, que se baseiam em simulações, cálculos e resultados experimentais anteriores, foram relatadas esta semana nos Proceedings of the National Academy of Sciences. O artigo é do professor Ju Li do MIT e do estudante de graduação Zhe Shi; Cientista pesquisador principal Ming Dao; Professor Subra Suresh, que é presidente da Universidade Tecnológica de Nanyang em Cingapura, bem como ex-reitor de engenharia e professor emérito de Vannevar Bush no MIT; e Evgenii Tsymbalov e Alexander Shapeev no Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia em Moscou.

A equipe usou uma combinação de cálculos de mecânica quântica, análises de deformação mecânica e aprendizado de máquina para demonstrar que o fenômeno, há muito teorizado como uma possibilidade, realmente pode ocorrer em diamantes nanométricos.

O conceito de tensionar um material semicondutor como o silício para melhorar seu desempenho encontrou aplicações na indústria de microeletrônica há mais de duas décadas. No entanto, essa abordagem envolveu pequenas tensões da ordem de cerca de 1 por cento. Li e seus colaboradores passaram anos desenvolvendo o conceito de engenharia de deformação elástica. Isso se baseia na capacidade de causar mudanças significativas nas propriedades elétricas, ópticas, térmicas e outras propriedades dos materiais simplesmente deformando-os - colocando-os sob deformação mecânica moderada a grande, o suficiente para alterar o arranjo geométrico dos átomos na estrutura cristalina do material , mas sem interromper essa estrutura.

Em um grande avanço em 2018, uma equipe liderada por Suresh, Dao e Lu Yang da Universidade Politécnica de Hong Kong mostrou que minúsculas agulhas de diamante, com apenas algumas centenas de nanômetros de diâmetro, podem ser dobradas sem quebrar à temperatura ambiente em grandes deformações . Eles foram capazes de dobrar repetidamente essas nanagulhas para tensionar até 10%; as agulhas podem então retornar intactas à sua forma original.

A chave para este trabalho é uma propriedade conhecida como bandgap , que essencialmente determina a rapidez com que os elétrons podem se mover através de um material. Essa propriedade é, portanto, a chave para a condutividade elétrica do material. O diamante normalmente tem um intervalo de banda muito amplo de 5,6 elétron-volts, o que significa que é um forte isolante elétrico pelo qual os elétrons não se movem facilmente. Em suas últimas simulações, os pesquisadores mostram que o bandgap do diamante pode ser alterado de forma gradual, contínua e reversível, fornecendo uma ampla gama de propriedades elétricas, de isolante a semicondutor e metal.

“Descobrimos que é possível reduzir o bandgap de 5,6 elétron-volts até zero”, diz Li. “O ponto disso é que se você pode mudar continuamente de 5,6 para 0 elétron-volts, então você cobre toda a gama de bandgaps. Por meio da engenharia de deformação, você pode fazer com que o diamante tenha o gap do silício, que é mais amplamente usado como semicondutor, ou nitreto de gálio, que é usado para LEDs. Você pode até mesmo transformá-lo em um detector de infravermelho ou detectar toda uma gama de luz desde o infravermelho até a parte ultravioleta do espectro. ”

“A capacidade de projetar e projetar a condutividade elétrica no diamante sem alterar sua composição química e estabilidade oferece flexibilidade sem precedentes para o projeto personalizado de suas funções”, diz Suresh. “Os métodos demonstrados neste trabalho podem ser aplicados a uma ampla gama de outros materiais semicondutores de interesse tecnológico em aplicações mecânicas, microeletrônicas, biomédicas, de energia e fotônica, por meio da engenharia de deformações.”

Então, por exemplo, um único pedaço minúsculo de diamante, dobrado de forma que tenha um gradiente de tensão através dele, poderia se tornar uma célula solar capaz de capturar todas as frequências de luz em um único dispositivo - algo que atualmente só pode ser alcançado por meio de tandem dispositivos que acoplam diferentes tipos de materiais de células solares em camadas para combinar suas diferentes bandas de absorção. Eles podem um dia ser usados ​​como fotodetectores de amplo espectro para aplicações industriais ou científicas.

Uma restrição, que exigia não apenas a quantidade certa de deformação, mas também a orientação certa da rede cristalina do diamante, era evitar que a deformação fizesse com que a configuração atômica cruzasse um ponto de inflexão e se transformasse em grafite, o material macio usado em lápis.

O processo também pode transformar o diamante em dois tipos de semicondutores, semicondutores bandgap “diretos” ou “indiretos”, dependendo da aplicação pretendida. Para células solares, por exemplo, bandgaps diretos fornecem uma coleção muito mais eficiente de energia da luz, permitindo que sejam muito mais finas do que materiais como o silício, cujo bandgap indireto requer um caminho muito mais longo para coletar a energia de um fóton.

O processo pode ser relevante para uma ampla variedade de aplicações potenciais, Li sugere, como para detectores baseados em quantum altamente sensíveis que usam defeitos e átomos dopantes em um diamante. “Usando deformação, podemos controlar os níveis de emissão e absorção desses defeitos pontuais”, diz ele, permitindo novas maneiras de controlar seus estados quânticos eletrônicos e nucleares.

Mas, dada a grande variedade de condições possibilitadas pelas diferentes dimensões das variações de deformação, Li diz, “se tivermos uma aplicação específica em mente, poderemos otimizar em direção a esse destino de aplicação. E o que é bom sobre a abordagem de deformação elástica é que ela é dinâmica ”, de modo que pode ser continuamente alterada em tempo real, conforme necessário.

Este trabalho de prova de conceito em estágio inicial ainda não está no ponto onde eles podem começar a projetar dispositivos práticos, dizem os pesquisadores, mas com a pesquisa em andamento, eles esperam que aplicações práticas sejam possíveis, em parte devido ao trabalho promissor que está sendo feito em todo o mundo sobre o crescimento de materiais diamantados homogêneos.

O trabalho foi apoiado pelo US Office of Naval Research.

 

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