Diamante metálico pode conduzir eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/10/2020

A deformação mecânica "metaliza" o diamante, tornando-o condutor de eletricidade.
[Imagem: NTU]

Diamante metálico

Por enquanto é apenas uma demonstração teórica, mas uma daquelas bem promissoras.

Usando simulações computadorizadas, físicos demonstraram que o diamante pode ser levado a conduzir eletricidade da mesma forma que os metais.

Para isso, cristais de diamante em nanoescala devem ser sintetizados com uma estrutura em formato de agulha e, a seguir, serem deformados por uma tensão mecânica.

Se o efeito for confirmado experimentalmente, um diamante eletricamente condutor pode viabilizar futuras aplicações em eletrônica de potência usada em uma ampla variedade de máquinas, de carros e aparelhos elétricos a redes inteligentes; diodos emissores de luz (LEDs) altamente eficientes; dispositivos ópticos; e sensores quânticos, sensores que aprimoram e melhoram o que os sensores atuais podem fazer.

Variando a bandgap do diamante

O trabalho da equipe de Cingapura, EUA e Rússia se fundamenta em um experimento prático, feito em 2018, quando Amit Banerjee e seus colegas demonstraram ser possível fabricar nanoagulhas flexíveis de diamante, o material natural mais duro que se conhece.

Usando uma combinação de cálculos de mecânica quântica, análises de deformação mecânica e aprendizado de máquina, a equipe demonstrou que, usando os nanodiamantes em formato de agulha, é possível transformar o diamante em um condutor elétrico - a possibilidade de criação do diamante metálico também já havia sido teorizada.

Na maioria das formas, o diamante é um bom isolante elétrico devido ao seu hiato de banda (bandgap) ultralargo de 5,6 elétron-volts (eV). Isso significa que uma grande quantidade de energia é necessária para energizar os elétrons do diamante antes que eles possam atuar como portadores de uma corrente elétrica. Quanto menor a bandgap, mais fácil será para a corrente fluir.

As simulações mostraram que é possível estreitar essa lacuna deformando elasticamente uma nanoagulha de diamante - fazendo-a dobrar para o lado, como Amit Banerjee fez em 2018.

O processo permite variar a capacidade de condução do diamante de forma contínua, o que abre grandes possibilidades de uso prático.
[Imagem: Zhe Shi et al. - 10.1073/pnas.2013565117]

Diamante condutor de eletricidade

À medida que tensão vai se acumulando na nanoagulha de diamante, seu intervalo de banda diminui, um indicador de maior condutividade elétrica. A bandgap desapareceu completamente perto da quantidade máxima de tensão que a nanoagulha poderia suportar antes de se quebrar.

"Descobrimos que é possível reduzir a lacuna de banda de 5,6 eV até zero. O ponto aqui é que se você pode mudar continuamente de 5,6 a zero eV, então você cobre toda a faixa de lacunas. Por meio da engenharia de deformação, você pode fazer com que o diamante tenha o hiato de banda do silício, que é mais amplamente usado como um semicondutor, ou do nitreto de gálio, que é usado para LEDs. Você pode até mesmo transformá-lo em um detector de infravermelho ou detectar toda uma gama de luz, desde o infravermelho até a parte ultravioleta do espectro," disse o professor Ju Li, da Universidade Tecnológica Nanyang, em Cingapura.

Os cálculos também indicam que essa metalização do diamante em nanoescala poderia ser alcançada sem desencadear instabilidade de fônons ou transformação de fase do diamante em grafite.

"A capacidade de projetar e ajeitar a condutividade elétrica no diamante sem alterar sua composição química e sua estabilidade oferece uma flexibilidade sem precedentes para o projeto personalizado de suas funções," disse o professor Subra Suresh. "Os métodos demonstrados neste trabalho podem ser aplicados a uma ampla gama de outros materiais semicondutores de interesse tecnológico em aplicações mecânicas, microeletrônicas, biomédicas, de energia e fotônica, por meio da engenharia de deformações."

A propósito, o silício expandido - ou tensionado ("strained") - tornou-se a grande estrela da indústria semicondutora nos últimos 20 anos, devido aos ganhos de eficiência e redução no consumo de energia.

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