El estiramiento de diamantes microfabricados allana el camino para aplicaciones en microelectrónica de próxima generación. Crédito:Dang Chaoqun / Universidad de la ciudad de Hong Kong
El diamante es el material más duro de la naturaleza. Pero por muchas expectativas, también tiene un gran potencial como excelente material electrónico. Un equipo de investigación conjunto dirigido por la City University of Hong Kong (CityU) ha demostrado por primera vez la gran, deformación elástica uniforme de tracción de matrices de diamantes microfabricadas a través del enfoque nanomecánico. Sus hallazgos han demostrado el potencial de los diamantes tensados como candidatos principales para dispositivos funcionales avanzados en microelectrónica. fotónica, y tecnologías de la información cuántica.
La investigación fue codirigida por el Dr. Lu Yang, Profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica (MNE) de CityU e investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y el Instituto de Tecnología de Harbin (HIT). Sus hallazgos han sido publicados recientemente en la prestigiosa revista científica Ciencias , titulado "Lograr una gran elasticidad a la tracción uniforme en el diamante microfabricado".
"Esta es la primera vez que se muestran los extremadamente grandes, elasticidad uniforme del diamante mediante experimentos de tracción. Nuestros hallazgos demuestran la posibilidad de desarrollar dispositivos electrónicos a través de la 'ingeniería de deformación elástica profunda' de estructuras diamantadas microfabricadas. "dijo el Dr. Lu.
Diamante:"Monte Everest" de materiales electrónicos
Bien conocido por su dureza, Las aplicaciones industriales de los diamantes suelen ser de corte, perforación, o moliendo. Pero el diamante también se considera un material electrónico y fotónico de alto rendimiento debido a su conductividad térmica ultra alta. movilidad excepcional del portador de carga eléctrica, alta resistencia a la rotura y banda prohibida ultra ancha. Bandgap es una propiedad clave en semiconductores, y la banda prohibida amplia permite el funcionamiento de dispositivos de alta potencia o alta frecuencia. "Es por eso que el diamante puede considerarse como el 'Monte Everest' de los materiales electrónicos, poseyendo todas estas excelentes propiedades, "Dijo el Dr. Lu.
Sin embargo, la gran banda prohibida y la estructura de cristal apretada del diamante hacen que sea difícil de "dopar", una forma común de modular las propiedades electrónicas de los semiconductores durante la producción, obstaculizando así la aplicación industrial del diamante en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. Una alternativa potencial es la "ingeniería de deformaciones", es decir, aplicar una tensión de celosía muy grande, para cambiar la estructura de la banda electrónica y las propiedades funcionales asociadas. Pero se consideró "imposible" para el diamante debido a su dureza extremadamente alta.
Luego, en 2018, El Dr. Lu y sus colaboradores descubrieron que, asombrosamente, El diamante a nanoescala se puede doblar elásticamente con una gran tensión local inesperada. Este descubrimiento sugiere que el cambio de propiedades físicas en el diamante a través de la ingeniería de deformación elástica puede ser posible. Basado en esto, el último estudio mostró cómo se puede utilizar este fenómeno para desarrollar dispositivos de diamante funcionales.
Ilustración de deformación por tracción de muestras de puentes diamantados microfabricados. Crédito:Dang Chaoqun / Universidad de la ciudad de Hong Kong
Esfuerzo de tracción uniforme a través de la muestra
En primer lugar, el equipo microfabricado muestras de diamantes monocristalinos a partir de monocristales de diamantes sólidos. Las muestras tenían forma de puente, de aproximadamente un micrómetro de largo y 300 nanómetros de ancho. con ambos extremos más anchos para agarrar (Ver imagen:Tensado por tracción de puentes diamantados). Luego, los puentes de diamante se estiraron uniaxialmente de una manera bien controlada dentro de un microscopio electrónico. Bajo ciclos de carga-descarga continua y controlable de ensayos cuantitativos de tracción, los puentes de diamantes demostraron una gran uniformidad, gran deformación elástica de aproximadamente un 7,5% de deformación en toda la sección de calibre de la muestra, en lugar de deformarse en un área localizada al doblar. Y recuperaron su forma original después de la descarga.
Al optimizar aún más la geometría de la muestra utilizando el estándar de la Sociedad Estadounidense de Ensayos y Materiales (ASTM), lograron una deformación por tracción uniforme máxima de hasta el 9,7%, que incluso superó el valor máximo local en el estudio de 2018, y estaba cerca del límite elástico teórico del diamante. Más importante, para demostrar el concepto de dispositivo de diamante forzado, el equipo también se dio cuenta de la tensión elástica de matrices de diamantes microfabricadas.
Ajuste de la banda prohibida mediante tensiones elásticas
Luego, el equipo realizó cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para estimar el impacto del esfuerzo elástico de 0 a 12% en las propiedades electrónicas del diamante. Los resultados de la simulación indicaron que la banda prohibida del diamante generalmente disminuía a medida que aumentaba la deformación por tracción, con la mayor tasa de reducción de banda prohibida desde aproximadamente 5 eV a 3 eV con una deformación de alrededor del 9% a lo largo de una orientación cristalina específica. El equipo realizó un análisis de espectroscopía de pérdida de energía de electrones en una muestra de diamante pretensado y verificó esta tendencia a la disminución de la banda prohibida.
Los resultados de sus cálculos también mostraron que, curiosamente, la banda prohibida podría cambiar de indirecta a directa con las deformaciones de tracción superiores al 9% a lo largo de otra orientación cristalina. La banda prohibida directa en semiconductores significa que un electrón puede emitir directamente un fotón, permitiendo muchas aplicaciones optoelectrónicas con mayor eficiencia.
Estos hallazgos son un primer paso para lograr una ingeniería de deformación elástica profunda de diamantes microfabricados. Por enfoque nanomecánico, el equipo demostró que la estructura de la banda del diamante se puede cambiar, y más importante, estos cambios pueden ser continuos y reversibles, permitiendo diferentes aplicaciones, de sistemas micro / nanoelectromecánicos (MEMS / NEMS), transistores de ingeniería de deformación, a las nuevas tecnologías optoelectrónicas y cuánticas. "Creo que nos espera una nueva era para el diamante, "dijo el Dr. Lu.
