Diamantes que esticam inauguram nova era da eletrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/01/2021

As pequenas pontes de diamante podem ser esticadas até quase 10% de seu comprimento e retornam ao seu formato original sem sofrer danos.
[Imagem: Dang Chaoqun/CUHK]

Eletrônica do diamante

Os diamantes são os materiais naturais mais duros que se conhece, e a dureza tipicamente elimina outra propriedade dos materiais que pode ser muito útil: a flexibilidade.

Por isso, foi uma surpresa quando Chaoqun Dang e seus colegas da Universidade Cidade de Hong Kong anunciaram ter conseguido fabricar diamantes relativamente grandes - na escala dos micrômetros - que podem ser esticados e retornarem ao seu formato original quando a força é retirada.

E isso não é apenas uma curiosidade científica: Diamantes elásticos podem abrir caminho para uma eletrônica avançada, de semicondutores mais eficientes do que o silício a tecnologias de informação quântica.

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 - esse "hiato de banda" é uma propriedade-chave dos semicondutores, com seu aumento viabilizando a operação de componentes de maior potência ou maior frequência.

O problema é que, embora torne o diamante o semicondutor por excelência, esse hiato de banda elevado e a alta densidade dos cristais tornam o diamante difícil de dopar - a dopagem é um mecanismo essencial na eletrônica, permitindo controlar as propriedades de um material, normalmente o silício, adicionando pequenas quantidades de outros materiais.

Outra saída, também usada no silício, consiste no tensionamento do material, que permite controlar as propriedades ópticas e eletrônicas esticando a rede cristalina do semicondutor. O problema é que esticar o diamante como se ele fosse uma borracha parecia um objetivo mais difícil do que dopar seus cristais ultradensos. Foi esse desafio que Dang e seus colegas venceram.

Diamantes elásticos

A equipe primeiramente cultivou amostras de diamante monocristalino a partir de cristais únicos de diamante sintético. As amostras têm a forma de uma ponte, com cerca de um micrômetro de comprimento e 300 nanômetros de largura, com as extremidades mais largas para poderem ser agarradas e presas.

Essas pontes de diamante foram então esticadas ao longo de seu eixo mais longo de uma maneira bem controlada. Submetidas a ciclos contínuos e controlados de tração, as pontes de diamante demonstraram uma grande deformação elástica altamente uniforme, com uma deformação média de cerca de 7,5% de seu comprimento (máximo de 9,7%) em toda a seção mais estreita.

E elas recuperam sua forma original quando a força de tensionamento é retirada.

A demonstração é um avanço significativo em relação ao trabalho anterior da equipe, que havia demonstrado que o diamante pode ser dobrado e esticado, só que, naquela ocasião, usando nanoagulhas de diamante, que não são muito úteis para aplicações práticas.

Esticamento do diamante, visto sob o microscópio.
[Imagem: Chaoqun Dang et al. - 10.1126/science.abc4174]

Diamante semicondutor

Em uma série de experimentos, a equipe comprovou que o esticamento de suas placas de diamante microfabricadas pode alterar fundamentalmente as propriedades eletrônicas do diamante, incluindo uma redução da bandgap de quase 2 elétrons-volt - tudo a temperatura ambiente.

Além disso, simulações em computador feitas com as características do diamante elástico mostraram que a bandgap pode ser mudada de indireta para direta com deformações de tração maiores que 9% ao longo de uma determinada orientação cristalina - uma bandgap direta em um semicondutor significa que um elétron pode emitir diretamente um fóton, permitindo muitas aplicações optoeletrônicas com maior eficiência.

"Acredito que uma nova era para o diamante está diante de nós," disse o Dr. Yang Lu, coordenador da equipe.

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