O diamante éo material mais duro da natureza. Mas fora de muitas expectativas, ele também tem um grande potencial como um excelente material eletra´nico. Uma equipe de pesquisa conjunta liderada pela City University of Hong Kong (CityU) demonstrou pela primeira vez a grande deformação ela¡stica de tração uniforme de matrizes de diamante microfabricadas por meio da abordagem nanomeca¢nica. Suas descobertas mostraram o potencial dos diamantes deformados como principais candidatos para dispositivos funcionais avana§ados em microeletra´nica, fota´nica e tecnologias de informação qua¢ntica.

A pesquisa foi co-liderada pelo Dr. Lu Yang, Professor Associado do Departamento de Engenharia Meca¢nica (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 cienta­fica Science , intitulada "Alcana§ando elasticidade de tração uniforme grande em diamante microfabricado".

"Esta éa 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 eletra´nicos por meio de 'engenharia de deformação ela¡stica profunda' de estruturas de diamante microfabricadas", disse o Dr. Lu.

Bem conhecido por sua dureza, as aplicações industriais de diamantes são geralmente corte, perfuração ou retificação. Mas o diamante também éconsiderado um material eletra´nico e fota´nico de alto desempenho devido a  sua condutividade tanãrmica ultra-alta, mobilidade excepcional do portador de carga elanãtrica, alta resistência a  degradação e bandgap ultra-largo. Bandgap éuma propriedade chave em semicondutores, e amplo bandgap permite a operação de dispositivos de alta potaªncia ou alta frequência. "a‰ por isso que o diamante pode ser considerado o 'Monte Everest' dos materiais eletra´nicos, 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 eletra´nicas dos semicondutores durante a produção, dificultando a aplicação industrial do diamante em dispositivos eletra´nicos e optoeletra´nicos. Uma alternativa potencial épor "engenharia de deformações", ou seja, aplicar deformações de rede muito grandes, para alterar a estrutura de banda eletra´nica e propriedades funcionais associadas. Mas foi considerado "impossí­vel" para o diamante devido a  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 ela¡stica pode ser possí­vel. Com base nisso, o estudo mais recente mostrou como esse fena´meno pode ser utilizado para desenvolver dispositivos de diamante funcionais.

A equipe primeiramente microfabricou amostras de diamante monocristalino a partir de cristais aºnicos de diamante sãolido. As amostras tinham a forma de ponte - com cerca de um micra´metro de comprimento e 300 nana´metros 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 microsca³pio eletra´nico . Sob ciclos de carga-descarga conta­nua e controla¡vel de testes de tração quantitativos, as pontes de diamante demonstraram uma grande deformação ela¡stica 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 flexa£o. E eles recuperaram sua forma original após o descarregamento.

Otimizando ainda mais a geometria da amostra usando o padrãoda American Society for Testing and Materials (ASTM), eles alcana§aram uma deformação de tração uniforme máxima de até9,7%, que atéultrapassou o valor local ma¡ximo no estudo de 2018, e estava pra³ximo do tea³rico limite ela¡stico do diamante. Mais importante, para demonstrar o conceito de dispositivo de diamante deformado, a equipe também realizou a deformação ela¡stica de matrizes de diamante microfabricadas.

A equipe então realizou ca¡lculos da teoria funcional da densidade (DFT) para estimar o impacto da deformação ela¡stica de 0 a 12% nas propriedades eletra´nicas 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 especa­fica. A equipe realizou uma análise de espectroscopia de perda de energia de elanãtrons em uma amostra de diamante pré-tensionada e verificou essa tendaªncia de diminuição do bandgap.

Os resultados dos ca¡lculos 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 elanãtron pode emitir diretamente um fa³ton, permitindo muitas aplicações optoeletra´nicas com maior eficiência.

Essas descobertas são um passo inicial para alcana§ar a engenharia de deformação ela¡stica profunda de diamantes microfabricados. Pela abordagem nanomeca¢nica, a equipe demonstrou que a estrutura da banda do diamante pode ser alterada e, mais importante, essasmudanças podem ser conta­nuas e reversa­veis, permitindo diferentes aplicações, desde sistemas micro / nanoeletromeca¢nicos (MEMS / NEMS), transistores de engenharia de deformação, a novos tecnologias optoeletra´nicas e qua¢nticas. “Acredito que uma nova era para o diamante estãoa  nossa frente”, disse o Dr. Lu.