p Há muito conhecido como o mais duro de todos os materiais naturais, diamantes também são condutores térmicos e isolantes elétricos excepcionais. Agora, pesquisadores descobriram uma maneira de ajustar minúsculas agulhas de diamante de forma controlada para transformar suas propriedades eletrônicas, discar de isolamento, por meio de semicondutores, todo o caminho para altamente condutivo, ou metálico. Isso pode ser induzido dinamicamente e revertido à vontade, sem degradação do material diamantado. p A pesquisa, embora ainda em um estágio inicial de prova de conceito, pode abrir uma ampla gama de aplicações potenciais, incluindo novos tipos de células solares de banda larga, LEDs e eletrônicos de potência altamente eficientes, e novos dispositivos ópticos ou sensores quânticos, dizem os pesquisadores.

p Suas descobertas, que são baseados em simulações, cálculos, e resultados experimentais anteriores, são relatados esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences . O artigo é do professor Ju Li do MIT e do estudante de graduação Zhe Shi; Cientista pesquisador principal Ming Dao; Professor Subra Suresh, que é presidente da Universidade Tecnológica de Nanyang em Cingapura, bem como ex-reitor de engenharia e Vannevar Bush Professor Emérito do MIT; e Evgenii Tsymbalov e Alexander Shapeev no Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia em Moscou.

p A equipe usou uma combinação de cálculos de mecânica quântica, análises de deformação mecânica, e aprendizado de máquina para demonstrar que o fenômeno, há muito teorizado como uma possibilidade, realmente pode ocorrer em diamantes nanométricos.

p O conceito de tensionar um material semicondutor como o silício para melhorar seu desempenho encontrou aplicações na indústria de microeletrônica há mais de duas décadas. Contudo, essa abordagem envolveu pequenas tensões da ordem de cerca de 1 por cento. Li e seus colaboradores passaram anos desenvolvendo o conceito de engenharia de deformação elástica. Isso se baseia na capacidade de causar mudanças significativas no sistema elétrico, óptico, térmico, e outras propriedades dos materiais simplesmente deformá-los - colocando-os sob tensão mecânica moderada a grande, o suficiente para alterar o arranjo geométrico dos átomos na estrutura cristalina do material, mas sem interromper essa estrutura.

p Em um grande avanço em 2018, uma equipe liderada por Suresh, Dao, e Lu Yang da Universidade Politécnica de Hong Kong mostraram que pequenas agulhas de diamante, apenas algumas centenas de nanômetros de diâmetro, pode ser dobrado sem fratura em temperatura ambiente para grandes tensões. Eles foram capazes de dobrar repetidamente essas nanagulhas para tensionar até 10 por cento; as agulhas podem então retornar intactas à sua forma original.

p A chave para este trabalho é uma propriedade conhecida como bandgap, o que essencialmente determina a rapidez com que os elétrons podem se mover através de um material. Essa propriedade é, portanto, a chave para a condutividade elétrica do material. O diamante normalmente tem um intervalo de banda muito amplo de 5,6 elétron-volts, o que significa que é um forte isolante elétrico pelo qual os elétrons não se movem facilmente. Em suas últimas simulações, os pesquisadores mostram que o bandgap do diamante pode ser gradualmente, continuamente, e reversivelmente alterado, fornecendo uma ampla gama de propriedades elétricas, do isolador, passando pelo semicondutor, até o metal.

p "Descobrimos que é possível reduzir o bandgap de 5,6 elétron-volts até zero, "Li diz." O ponto disso é que, se você pode mudar continuamente de 5,6 para 0 elétron-volts, então você cobre toda a gama de bandgaps. Por meio da engenharia de tensões, você pode fazer o diamante ter a lacuna do silício, que é mais amplamente usado como semicondutor, ou 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. "

p "A capacidade de projetar e projetar a condutividade elétrica no diamante sem alterar sua composição química e estabilidade oferece flexibilidade sem precedentes para o design personalizado de suas funções, "diz Suresh." Os métodos demonstrados neste trabalho podem ser aplicados a uma ampla gama de outros materiais semicondutores de interesse tecnológico em mecânica, microeletrônica, biomédico, aplicações de energia e fotônica, por meio da engenharia de deformações. "

p Então, por exemplo, um único pequeno pedaço de diamante, dobrado para que tenha um gradiente de tensão através dele, poderia se tornar uma célula solar capaz de capturar todas as frequências de luz em um único dispositivo - algo que atualmente só pode ser alcançado por meio de dispositivos tandem que acoplam diferentes tipos de materiais de células solares em camadas para combinar suas diferentes bandas de absorção. Eles podem um dia ser usados ​​como fotodetectores de amplo espectro para aplicações industriais ou científicas.

p Uma restrição, que exigia não apenas a quantidade certa de deformação, mas também a orientação certa da estrutura cristalina do diamante, era evitar que a tensão fizesse com que a configuração atômica cruzasse um ponto de inflexão e se transformasse em grafite, o material macio usado em lápis.

p O processo também pode transformar o diamante em dois tipos de semicondutores, semicondutores bandgap "diretos" ou "indiretos", dependendo da aplicação pretendida. Para células solares, por exemplo, bandgaps diretos fornecem uma coleta muito mais eficiente de energia da luz, permitindo que sejam muito mais finos do que materiais como o silício, cujo bandgap indireto requer um caminho muito mais longo para coletar a energia de um fóton.

p O processo pode ser relevante para uma ampla variedade de aplicações potenciais, Li sugere, como para detectores baseados em quantum altamente sensíveis que usam defeitos e átomos dopantes em um diamante. "Usando tensão, podemos controlar os níveis de emissão e absorção desses defeitos pontuais, " ele diz, permitindo novas maneiras de controlar seus estados quânticos eletrônicos e nucleares.

p Mas, dada a grande variedade de condições possibilitadas pelas diferentes dimensões das variações de deformação, Li diz, "se tivermos uma aplicação específica em mente, então, poderíamos otimizar em direção a esse destino de aplicativo. E o que é bom sobre a abordagem de deformação elástica é que ela é dinâmica, "para que possa ser continuamente alterado em tempo real, conforme necessário.

p Este trabalho de prova de conceito em estágio inicial ainda não está no ponto em que eles podem começar a projetar dispositivos práticos, os pesquisadores dizem, mas com a pesquisa em andamento, eles esperam que as aplicações práticas sejam possíveis, em parte por causa do trabalho promissor que está sendo feito em todo o mundo no crescimento de materiais diamantados homogêneos.