p O diamante é o material mais duro da natureza. Mas fora de muitas expectativas, também tem grande potencial como excelente material eletrônico. Uma equipe de pesquisa conjunta liderada pela City University of Hong Kong (CityU) demonstrou pela primeira vez o grande, deformação elástica de tração uniforme de matrizes de diamante microfabricadas por meio da abordagem nanomecânica. Suas descobertas mostraram o potencial dos diamantes deformados como principais candidatos para dispositivos funcionais avançados em microeletrônica, fotônica, e tecnologias de informação quântica. p A pesquisa foi co-liderada pelo Dr. Lu Yang, Professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica (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 científica Ciência , intitulado "Atingindo grande elasticidade de tração uniforme em diamante microfabricado".

p "Esta é a primeira vez que mostra o extremamente grande, elasticidade uniforme do diamante por experimentos de tração. Nossos resultados demonstram a possibilidade de desenvolver dispositivos eletrônicos por meio de 'engenharia de deformação elástica profunda' de estruturas de diamante microfabricadas, "disse o Dr. Lu.

p Diamante:"Monte Everest" de materiais eletrônicos

p Bem conhecido por sua dureza, as aplicações industriais de diamantes são geralmente de corte, perfuração, ou moagem. Mas o diamante também é considerado um material eletrônico e fotônico de alto desempenho devido à sua condutividade térmica ultra-alta, mobilidade excepcional do portador de carga elétrica, alta resistência à degradação e bandgap ultra-amplo. Bandgap é uma propriedade chave no semicondutor, e o largo bandgap permite a operação de dispositivos de alta potência ou alta frequência. “É por isso que o diamante pode ser considerado como o 'Monte Everest' dos materiais eletrônicos, possuindo todas essas propriedades excelentes, "Dr. Lu disse.

p Contudo, o grande espaçamento entre bandas e a estrutura de cristal compacta do diamante tornam difícil "dopar", uma maneira comum de modular as propriedades eletrônicas dos semicondutores durante a produção, portanto, dificultando a aplicação industrial do diamante em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos. Uma alternativa potencial é por "engenharia de deformação", que é para aplicar deformação de rede muito grande, para alterar a estrutura da banda eletrônica e propriedades funcionais associadas. Mas foi considerado "impossível" para o diamante devido à sua dureza extremamente elevada.

p Então, em 2018, Dr. Lu e seus colaboradores descobriram que, surpreendentemente, o diamante em nanoescala pode ser dobrado elasticamente com grande deformação local inesperada. Esta descoberta sugere que a alteração das propriedades físicas do diamante por meio da engenharia de deformação elástica pode ser possível. Com base nisso, o último estudo mostrou como esse fenômeno pode ser utilizado para desenvolver dispositivos de diamante funcionais.

p Esforço de tração uniforme em toda a amostra

p A equipe primeiro microfabricou amostras de diamante monocristalino a partir de cristais únicos de diamante sólido. As amostras tinham a forma de ponte - cerca de um micrômetro de comprimento e 300 nanômetros de largura, com ambas as extremidades mais largas para agarrar (ver imagem:Esforço de tração de pontes de diamante). As pontes de diamante foram então alongadas uniaxialmente de uma maneira bem controlada em um microscópio eletrônico. Sob ciclos de carga-descarga contínua e controlável de testes de tração quantitativos, as pontes de diamante demonstraram uma alta uniformidade, grande deformação elástica de cerca de 7,5% de tensão em toda a seção de calibre da amostra, em vez de deformar em uma área localizada na flexão. E eles recuperaram sua forma original após o descarregamento.

p Ao otimizar ainda mais a geometria da amostra usando o padrão da American Society for Testing and Materials (ASTM), eles alcançaram uma tensão de tração uniforme máxima de até 9,7%, que até ultrapassou o valor local máximo no estudo de 2018, e estava próximo do limite elástico teórico do diamante. Mais importante, para demonstrar o conceito de dispositivo de diamante tenso, a equipe também realizou a deformação elástica de matrizes de diamante microfabricadas.

p Ajustando o bandgap por tensões elásticas

p A equipe então realizou cálculos da teoria funcional da densidade (DFT) para estimar o impacto da deformação elástica de 0 a 12% nas propriedades eletrônicas 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 de bandgap abaixo de cerca de 5 eV para 3 eV em cerca de 9% de deformação ao longo de uma orientação cristalina específica. A equipe realizou uma análise de espectroscopia de perda de energia de elétrons em uma amostra de diamante pré-tensionada e verificou essa tendência de diminuição do bandgap.

p Seus resultados de cálculo também mostraram que, Interessantemente, 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 elétron pode emitir diretamente um fóton, permitindo muitas aplicações optoeletrônicas com maior eficiência.

p Essas descobertas são um passo inicial na obtenção de engenharia de deformação elástica profunda de diamantes microfabricados. Por abordagem nanomecânica, a equipe demonstrou que a estrutura da faixa do diamante pode ser alterada, e mais importante, essas mudanças podem ser contínuas e reversíveis, permitindo diferentes aplicativos, de sistemas micro / nanoeletromecânicos (MEMS / NEMS), transistores com engenharia de tensão, às novas tecnologias optoeletrônicas e quânticas. "Acredito que uma nova era para o diamante está à nossa frente, "disse o Dr. Lu.