Conocido desde hace mucho tiempo como el más duro de todos los materiales naturales, Los diamantes también son conductores térmicos y aislantes eléctricos excepcionales. Ahora, Los investigadores han descubierto una forma de modificar pequeñas agujas de diamante de forma controlada para transformar sus propiedades electrónicas. marcándolos de aislante, a través de semiconductores, todo el camino a altamente conductivo, o metálico. Esto puede inducirse dinámicamente y revertirse a voluntad, sin degradación del material de diamante.

La investigación, aunque todavía en una etapa inicial de prueba de concepto, puede abrir una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluyendo nuevos tipos de células solares de banda ancha, LED y electrónica de potencia de alta eficiencia, y nuevos dispositivos ópticos o sensores cuánticos, dicen los investigadores.

Sus hallazgos, que se basan en simulaciones, cálculos y resultados experimentales previos, se informan esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . El artículo es del profesor del MIT Ju Li y el estudiante de posgrado Zhe Shi; El científico investigador principal Ming Dao; Profesora Subra Suresh, quien es presidente de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, así como ex decano de ingeniería y profesor emérito de Vannevar Bush en el MIT; y Evgenii Tsymbalov y Alexander Shapeev en el Instituto de Ciencia y Tecnología Skolkovo en Moscú.

El equipo utilizó una combinación de cálculos mecánicos cuánticos, análisis de deformaciones mecánicas, y aprendizaje automático para demostrar que el fenómeno, largamente teorizado como una posibilidad, realmente puede ocurrir en diamantes de tamaño nanométrico.

El concepto de filtrar un material semiconductor como el silicio para mejorar su rendimiento encontró aplicaciones en la industria de la microelectrónica hace más de dos décadas. Sin embargo, ese enfoque implicaba pequeñas tensiones del orden de alrededor del 1 por ciento. Li y sus colaboradores han pasado años desarrollando el concepto de ingeniería de deformación elástica. Esto se basa en la capacidad de provocar cambios significativos en el sistema eléctrico, óptico, térmico, y otras propiedades de los materiales simplemente deformándolos, sometiéndolos a una tensión mecánica de moderada a grande, suficiente para alterar la disposición geométrica de los átomos en la red cristalina del material, pero sin romper esa celosía.

En un gran avance en 2018, un equipo dirigido por Suresh, Dao, y Lu Yang de la Universidad Politécnica de Hong Kong demostraron que pequeñas agujas de diamante, solo unos cientos de nanómetros de ancho, podría doblarse sin fracturarse a temperatura ambiente a grandes deformaciones. Pudieron doblar repetidamente estas nanoagujas a una tensión de tracción de hasta un 10 por ciento; las agujas pueden volver intactas a su forma original.

La clave de este trabajo es una propiedad conocida como bandgap, que esencialmente determina la facilidad con que los electrones pueden moverse a través de un material. Por tanto, esta propiedad es clave para la conductividad eléctrica del material. El diamante normalmente tiene una banda prohibida muy amplia de 5,6 electronvoltios, lo que significa que es un fuerte aislante eléctrico por el que los electrones no se mueven fácilmente. En sus últimas simulaciones, los investigadores muestran que la banda prohibida del diamante puede ser gradualmente, continuamente, y cambiado reversiblemente, proporcionando una amplia gama de propiedades eléctricas, desde aislante a través de semiconductores hasta metal.

"Descubrimos que es posible reducir la banda prohibida de 5,6 electronvoltios hasta cero, "Li dice." El punto de esto es que si puedes cambiar continuamente de 5,6 a 0 electronvoltios, luego cubre toda la gama de bandgaps. A través de la ingeniería de deformaciones, puedes hacer que el diamante tenga la banda prohibida del silicio, que es el más utilizado como semiconductor, o nitruro de galio, que se utiliza para LED. Incluso puede convertirlo en un detector de infrarrojos o detectar un rango completo de luz desde la parte infrarroja hasta la ultravioleta del espectro ".

"La capacidad de diseñar y diseñar la conductividad eléctrica en el diamante sin cambiar su composición química y estabilidad ofrece una flexibilidad sin precedentes para diseñar sus funciones a la medida, "dice Suresh." Los métodos demostrados en este trabajo podrían aplicarse a una amplia gama de otros materiales semiconductores de interés tecnológico en mecánica, microelectrónica, biomédico aplicaciones de energía y fotónica, a través de la ingeniería de deformaciones ".

Entonces, por ejemplo, una pequeña pieza de diamante, doblado de modo que tenga un gradiente de tensión a través de él, podría convertirse en una célula solar capaz de capturar todas las frecuencias de luz en un solo dispositivo, algo que actualmente solo se puede lograr a través de dispositivos en tándem que acoplan diferentes tipos de materiales de células solares en capas para combinar sus diferentes bandas de absorción. Es posible que algún día se utilicen como fotodetectores de amplio espectro para aplicaciones industriales o científicas.

Una restricción que requirió no solo la cantidad correcta de tensión sino también la orientación correcta de la red cristalina del diamante, era evitar que la tensión hiciera que la configuración atómica cruzara un punto de inflexión y se convirtiera en grafito, el material blando utilizado en los lápices.

El proceso también puede convertir el diamante en dos tipos de semiconductores, semiconductores de banda prohibida "directos" o "indirectos", dependiendo de la aplicación prevista. Para celdas solares, por ejemplo, bandgaps directos proporcionan una colección mucho más eficiente de energía de la luz, lo que les permite ser mucho más delgados que materiales como el silicio, cuya banda prohibida indirecta requiere una vía mucho más larga para recolectar la energía de un fotón.

El proceso podría ser relevante para una amplia variedad de aplicaciones potenciales, Li sugiere, como los detectores cuánticos de alta sensibilidad que utilizan defectos y átomos dopantes en un diamante. "Usando tensión, podemos controlar los niveles de emisión y absorción de estos defectos puntuales, " él dice, permitiendo nuevas formas de controlar sus estados cuánticos electrónicos y nucleares.

Pero dada la gran variedad de condiciones que hacen posible las diferentes dimensiones de las variaciones de deformación, Li dice:"si tenemos una aplicación en particular en mente, entonces podríamos optimizar hacia ese objetivo de aplicación. Y lo bueno del enfoque de esfuerzo elástico es que es dinámico, "para que se pueda variar continuamente en tiempo real según sea necesario.

Este trabajo de prueba de concepto en etapa inicial aún no está en el punto en el que pueden comenzar a diseñar dispositivos prácticos, los investigadores dicen, pero con la investigación en curso, esperan que las aplicaciones prácticas sean posibles, en parte debido al trabajo prometedor que se está realizando en todo el mundo sobre el crecimiento de materiales de diamante homogéneos.