Descobertas novas propriedades dos diamantes semicondutores

Com informações da CWRU - 13/02/2025

O diamante serve tanto para computação quanto para comunicação.
[Imagem: Humboldt-Universität zu Berlin]

Diamantes dopados com boro

O diamante, sempre lembrado por sua dureza, transparência e beleza inigualáveis, tem emergido como um material excepcional para a fabricação de componentes eletrônicos de alta potência (ele é um excelente semicondutor) e para a óptica quântica de última geração (ele tem qubits naturais).

Quando fabricado industrialmente, o diamante pode ser projetado para ser tão eletricamente condutor quanto um metal, bastando usar a tradicional técnica da dopagem usada na eletrônica, pela qual a introdução de "impurezas" altera o comportamento do material como um todo. No caso do diamante, a impureza mais comum consiste no elemento boro - o nitreto cúbico de boro é o material mais duro depois do diamante.

A eletrônica baseada no diamante é um sonho antigo dos engenheiros porque o diamante é um material eletrônico e fotônico de alto desempenho devido a uma condutividade térmica ultra-elevada, mobilidade excepcional dos elétrons, alta resistência à ruptura e bandgap muito elevada.

Pesquisadores descobriram agora outra propriedade interessante nesses diamantes especiais, conhecidos como diamantes dopados com boro, uma nova propriedade que os torna candidatos para outras linhas de tecnologias de última geração.

Por exemplo, a descoberta promete abrir caminho para novos tipos de componentes ópticos biomédicos e quânticos, que serão mais rápidos, mais eficientes e capazes de processar informações de maneiras que as tecnologias clássicas não conseguem.

Esquema da dopagem do diamante com o elemento boro.
[Imagem: Souvik Bhattacharya et al. - 10.1038/s41467-024-55353-0]

Diamantes plasmônicos

Souvik Bhattacharya e colegas das universidades Case Western Reserve e Illinois Urbana-Champaign, ambas nos EUA, descobriram que os diamantes dopados com boro apresentam plásmons, que são ondas de elétrons que se movem quando a luz os atinge, permitindo que campos elétricos sejam controlados e aprimorados em uma escala nanométrica.

Isso é importante para biossensores avançados, dispositivos ópticos em nanoescala e para melhorar as células solares e os componentes das tecnologias quânticas.

Já se sabia que os diamantes dopados com boro conduzem eletricidade e até se tornam supercondutores nas condições adequadas, mas ninguém havia até agora documentado propriedades plasmônicas. E, ao contrário dos metais ou mesmo de outros semicondutores dopados, os diamantes dopados com boro permanecem opticamente claros, o que é uma propriedade insuperável para o campo da fotônica.

"O diamante continua a brilhar tanto literalmente quanto como um farol para a inovação científica e tecnológica," disse o professor Giuseppe Strangi. "À medida que avançamos na era da computação e da comunicação quânticas, descobertas como essa nos aproximam do aproveitamento total do potencial dos materiais em seu nível mais fundamental."

A plasmônica promete chips que processam dados à velocidade da luz.
[Imagem: Souvik Bhattacharya et al. - 10.1038/s41467-024-55353-0]

Plasmônica

Os materiais plasmônicos, que afetam a luz na nanoescala, cativam os humanos há séculos, como nas cores vibrantes dos vitrais medievais. Hoje sabemos que aquele brilho cativante resulta de nanopartículas de metal embutidas no vidro, que criam as quasipartículas plasmônicas, mas os princípios científicos desse comportamento só começaram a ser compreendidos nas décadas recentes.

Quando a luz atravessa esses materiais, suas partículas geram plásmons que produzem cores específicas. Por exemplo, nanopartículas de ouro geram um vermelho-rubi, enquanto nanopartículas de prata produzem um amarelo vibrante. É essa interação entre luz e matéria que vem inspirando avanços em nanotecnologia e óptica. E sua presença no diamante significa que essa propriedade está presente em um material recheado de outros talentos interessantes.

Os diamantes, que são cristais transparentes do elemento carbono, podem ser sintetizados com pequenas quantidades de boro, um elemento que é adjacente ao carbono na tabela periódica. O boro contém um elétron a menos do que o carbono, permitindo que ele aceite elétrons. Assim, o boro essencialmente abre um "buraco" eletrônico periódico no material, o que tem como efeito aumentar a capacidade do material de conduzir corrente elétrica - a estrutura do diamante dopado com boro permanece transparente, com uma tonalidade azul.

Devido às suas outras propriedades únicas - ele também é quimicamente inerte e biologicamente compatível - o diamante dopado com boro pode ser usado em contextos que outros materiais não podem, como para imagens médicas, em biochips de alta sensibilidade ou em sensores moleculares.

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