Tecnologia Científica

Diamante extensível para microeletrônica de última geração
As descobertas mostraram o potencial dos diamantes deformados como principais candidatos para dispositivos funcionais avançados em microeletrônica, fotônica e tecnologias de informação quântica.
Por City University of Hong Kong - 01/01/2021


O alongamento de diamantes microfabricados abre caminhos para aplicações em microeletrônica de última geração. Crédito: Dang Chaoqun / Universidade da Cidade de Hong Kong

O diamante é o material mais duro da natureza. Mas fora de muitas expectativas, ele também tem um grande potencial como um excelente material eletrônico. Uma equipe de pesquisa conjunta liderada pela City University of Hong Kong (CityU) demonstrou pela primeira vez a grande deformação elástica de tração uniforme de matrizes de diamante microfabricadas por meio da abordagem nanomecânica. Suas descobertas mostraram o potencial dos diamantes deformados como principais candidatos para dispositivos funcionais avançados em microeletrônica, fotônica e tecnologias de informação quântica.

A pesquisa foi co-liderada pelo Dr. Lu Yang, Professor Associado do Departamento de Engenharia Mecânica (MNE) da CityU e pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT) e do Harbin Institute of Technology (HIT). Suas descobertas foram publicadas recentemente na prestigiosa revista científica Science , intitulada "Alcançando elasticidade de tração uniforme grande em diamante microfabricado".

"Esta é a primeira vez que mostra a elasticidade extremamente grande e uniforme do diamante por meio de experimentos de tração. Nossos resultados demonstram a possibilidade de desenvolver dispositivos eletrônicos por meio de 'engenharia de deformação elástica profunda' de estruturas de diamante microfabricadas", disse o Dr. Lu.

Diamante: "Monte Everest" de materiais eletrônicos

Bem conhecido por sua dureza, as aplicações industriais de diamantes são geralmente corte, perfuração ou retificação. Mas o diamante também é considerado um material eletrônico e fotônico de alto desempenho devido à sua condutividade térmica ultra-alta, mobilidade excepcional do portador de carga elétrica, alta resistência à degradação 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. "É por isso que o diamante pode ser considerado o 'Monte Everest' dos materiais eletrônicos, possuindo todas essas propriedades excelentes", disse o Dr. Lu.

No entanto, o grande bandgap e a estreita estrutura cristalina do diamante dificultam a "dopagem", uma forma comum de modular as propriedades eletrônicas dos semicondutores durante a produção, dificultando a aplicação industrial do diamante em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos. Uma alternativa potencial é por "engenharia de deformações", ou seja, aplicar deformações de rede muito grandes, para alterar a estrutura de banda eletrônica e propriedades funcionais associadas. Mas foi considerado "impossível" para o diamante devido à sua dureza extremamente elevada.

Então, em 2018, Dr. Lu e seus colaboradores descobriram que, surpreendentemente, o diamante em nanoescala pode ser elasticamente dobrado com grande deformação local inesperada. Esta descoberta sugere que a alteração das propriedades físicas do diamante por meio da engenharia de deformação elástica pode ser possível. Com base nisso, o estudo mais recente mostrou como esse fenômeno pode ser utilizado para desenvolver dispositivos de diamante funcionais.

Ilustração de deformação por tração de amostras de ponte de diamante microfabricadas. Crédito: Dang Chaoqun / Universidade da Cidade de Hong Kong

Esforço de tração uniforme em toda a amostra
 
A equipe primeiramente microfabricou amostras de diamante monocristalino a partir de cristais únicos de diamante sólido. As amostras tinham a forma de ponte - com cerca de um micrômetro de comprimento e 300 nanômetros de largura, com ambas as extremidades mais largas para serem agarradas (veja a imagem: Tensão de tração de pontes de diamante). As pontes de diamante foram então alongadas uniaxialmente de uma maneira bem controlada em um microscópio eletrônico . Sob ciclos de carga-descarga contínua e controlável de 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.

Otimizando ainda mais a geometria da amostra usando o padrão da American Society for Testing and Materials (ASTM), eles alcançaram uma deformação de tração uniforme máxima de até 9,7%, que até ultrapassou o valor local máximo no estudo de 2018, e estava próximo do teórico limite elástico do diamante. Mais importante, para demonstrar o conceito de dispositivo de diamante deformado, a equipe também realizou a deformação elástica de matrizes de diamante microfabricadas.

Ajustando o bandgap por tensões elásticas

A equipe então realizou cálculos da teoria funcional da densidade (DFT) para estimar o impacto da deformação elástica de 0 a 12% nas propriedades eletrônicas do diamante. Os resultados da simulação indicaram que o bandgap do diamante geralmente diminuiu conforme a deformação de tração aumentou, com a maior taxa de redução do bandgap caindo de cerca de 5 eV para 3 eV em cerca de 9% de deformação ao longo de uma orientação cristalina específica. A equipe realizou uma análise de espectroscopia de perda de energia de elétrons em uma amostra de diamante pré-tensionada e verificou essa tendência de diminuição do bandgap.

Os resultados dos cálculos também mostraram que, curiosamente, o bandgap pode mudar de indireto para direto com as deformações de tração maiores que 9% ao longo de outra orientação cristalina. Bandgap direto no semicondutor significa que um elétron pode emitir diretamente um fóton, permitindo muitas aplicações optoeletrônicas com maior eficiência.

Essas descobertas são um passo inicial para alcançar a engenharia de deformação elástica profunda de diamantes microfabricados. Pela abordagem nanomecânica, a equipe demonstrou que a estrutura da banda do diamante pode ser alterada e, mais importante, essas mudanças podem ser contínuas e reversíveis, permitindo diferentes aplicações, desde sistemas micro / nanoeletromecânicos (MEMS / NEMS), transistores de engenharia de deformação, a novos tecnologias optoeletrônicas e quânticas. “Acredito que uma nova era para o diamante está à nossa frente”, disse o Dr. Lu.

 

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