Ha¡ muito conhecido como o mais duro de todos os materiais naturais, os diamantes também são condutores tanãrmicos e isolantes elanãtricos excepcionais. Agora, os pesquisadores descobriram uma maneira de ajustar minaºsculas agulhas de diamante de forma controlada para transformar suas propriedades eletra´nicas, discando-as de isolante, por meio de semicondutor, atéaltamente condutivo ou meta¡lico. Isso pode ser induzido dinamicamente e revertido a  vontade, sem degradação do material de diamante.

A pesquisa, embora ainda em um esta¡gio 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 eletra´nica de potaªncia e novos dispositivos a³pticos ou sensores qua¢nticos, os pesquisadores dizer.

Suas descobertas, que se baseiam em simulações, ca¡lculos e resultados experimentais anteriores, foram relatadas esta semana nos Proceedings of the National Academy of Sciences. O artigo édo professor Ju Li do MIT e do estudante de graduação Zhe Shi; Cientista pesquisador principal Ming Dao; Professor Subra Suresh, que épresidente da Universidade Tecnola³gica de Nanyang em Cingapura, bem como ex-reitor de engenharia e professor emanãrito 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 ca¡lculos de meca¢nica qua¢ntica, análises de deformação meca¢nica e aprendizado de ma¡quina para demonstrar que o fena´meno, hámuito teorizado como uma possibilidade, realmente pode ocorrer em diamantes nanomanãtricos.

O conceito de tensionar um material semicondutor como o sila­cio para melhorar seu desempenho encontrou aplicações na indústria de microeletra´nica hámais de duas décadas. No entanto, essa abordagem envolveu pequenas tensaµes da ordem de cerca de 1 por cento. Li e seus colaboradores passaram anos desenvolvendo o conceito de engenharia de deformação ela¡stica. Isso se baseia na capacidade de causarmudanças significativas nas propriedades elanãtricas, a³pticas, tanãrmicas e outras propriedades dos materiais simplesmente deformando-os - colocando-os sob deformação meca¢nica moderada a grande, o suficiente para alterar o arranjo geomanãtrico dos a¡tomos 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 minaºsculas agulhas de diamante, com apenas algumas centenas de nana´metros de dia¢metro, podem ser dobradas sem quebrar a  temperatura ambiente em grandes deformações . Eles foram capazes de dobrar repetidamente essas nanagulhas para tensionar até10%; as agulhas podem então retornar intactas a  sua forma original.

A chave para este trabalho éuma propriedade conhecida como bandgap , que essencialmente determina a rapidez com que os elanãtrons podem se mover atravanãs de um material. Essa propriedade anã, portanto, a chave para a condutividade elanãtrica do material. O diamante normalmente tem um intervalo de banda muito amplo de 5,6 elanãtron-volts, o que significa que éum forte isolante elanãtrico pelo qual os elanãtrons não se movem facilmente. Em suas últimas simulações, os pesquisadores mostram que o bandgap do diamante pode ser alterado de forma gradual, conta­nua e reversa­vel, fornecendo uma ampla gama de propriedades elanãtricas, de isolante a semicondutor e metal.

“Descobrimos que épossí­vel reduzir o bandgap de 5,6 elanãtron-volts atézero”, diz Li. “O ponto disso éque se vocêpode mudar continuamente de 5,6 para 0 elanãtron-volts, então vocêcobre toda a gama de bandgaps. Por meio da engenharia de deformação, vocêpode fazer com que o diamante tenha o gap do sila­cio, que émais amplamente usado como semicondutor, ou nitreto de ga¡lio, que éusado para LEDs. Vocaª pode atémesmo transforma¡-lo em um detector de infravermelho ou detectar toda uma gama de luz desde o infravermelho atéa parte ultravioleta do espectro. ”

“A capacidade de projetar e projetar a condutividade elanãtrica no diamante sem alterar sua composição química e estabilidade oferece flexibilidade sem precedentes para o projeto personalizado de suas funções”, diz Suresh. “Os manãtodos demonstrados neste trabalho podem ser aplicados a uma ampla gama de outros materiais semicondutores de interesse tecnola³gico em aplicações meca¢nicas, microeletra´nicas, biomédicas, de energia e fota´nica, por meio da engenharia de deformações.”

Então, por exemplo, um aºnico pedaço minaºsculo de diamante, dobrado de forma que tenha um gradiente de tensão atravanãs dele, poderia se tornar uma canãlula solar capaz de capturar todas as frequências de luz em um aºnico dispositivo - algo que atualmente são pode ser alcana§ado 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 cienta­ficas.

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 inflexa£o e se transformasse em grafite, o material macio usado em la¡pis.

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 sila­cio, cujo bandgap indireto requer um caminho muito mais longo para coletar a energia de um fa³ton.

O processo pode ser relevante para uma ampla variedade de aplicações potenciais, Li sugere, como para detectores baseados em quantum altamente sensa­veis que usam defeitos e a¡tomos dopantes em um diamante. “Usando deformação, podemos controlar os na­veis de emissão e absorção desses defeitos pontuais”, diz ele, permitindo novas maneiras de controlar seus estados qua¢nticos eletra´nicos e nucleares.

Mas, dada a grande variedade de condições possibilitadas pelas diferentesDimensões das variações de deformação, Li diz, “se tivermos uma aplicação especa­fica em mente, poderemos otimizar em direção a esse destino de aplicação. E o que ébom sobre a abordagem de deformação ela¡stica éque ela édina¢mica ”, de modo que pode ser continuamente alterada em tempo real, conforme necessa¡rio.

Este trabalho de prova de conceito em esta¡gio inicial ainda não estãono ponto onde eles podem comea§ar a projetar dispositivos práticos, dizem os pesquisadores, mas com a pesquisa em andamento, eles esperam que aplicações prática s sejam possa­veis, em parte devido ao trabalho promissor que estãosendo feito em todo o mundo sobre o crescimento de materiais diamantados homogaªneos.

O trabalho foi apoiado pelo US Office of Naval Research.