El diamante es el material más duro de la naturaleza. Pero, según muchas expectativas, también tiene un gran potencial como material electrónico excelente. Un equipo de investigación conjunto dirigido por la City University of Hong Kong CityU ha demostrado por primera vez el grandeformación elástica uniforme de tracción de matrices de diamantes microfabricados a través del enfoque nanomecánico. Sus hallazgos han demostrado el potencial de los diamantes deformados como candidatos principales para dispositivos funcionales avanzados en microelectrónica, fotónica y tecnologías de 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 recientementepublicado en la revista científica ciencia , titulado "Lograr una gran elasticidad de tracción uniforme en un diamante microfabricado".
"Esta es la primera vez que se muestra la elasticidad extremadamente grande y 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 el corte, la perforación o el esmerilado. Pero el diamante también se considera un material electrónico y fotónico de alto rendimiento debido a su conductividad térmica ultra alta, su excepcional movilidad del portador de carga eléctrica,alta resistencia a la ruptura y banda prohibida ultra ancha. La banda prohibida es una propiedad clave en los 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,que posee todas estas excelentes propiedades ", dijo el Dr. Lu.
Sin embargo, la gran banda prohibida y la estructura cristalina estrecha del diamante dificultan el "dopado", una forma común de modular las propiedades electrónicas de los semiconductores durante la producción, lo que dificulta la aplicación industrial del diamante en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.La alternativa es la "ingeniería de deformación", es decir, aplicar una deformación reticular 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, sorprendentemente, el diamante a nanoescala se puede doblar elásticamente con una tensión local grande inesperada. Este descubrimiento sugiere que el cambio de propiedades físicas en el diamante a través de la ingeniería de deformación elástica puede ser posible. En base a esto,el último estudio mostró cómo se puede utilizar este fenómeno para desarrollar dispositivos de diamante funcionales.
tensión de tracción uniforme a través de la muestra
En primer lugar, el equipo microfabricado muestras de diamantes monocristalinos a partir de monocristales de diamante sólido. Las muestras tenían forma de puente, aproximadamente un micrómetro de largo y 300 nanómetros de ancho, con ambos extremos más anchos para agarrar Ver imagen: Tensión de tracción depuentes de diamante. A continuación, los puentes de diamante se estiraron uniaxialmente de una manera bien controlada dentro de un microscopio electrónico. En ciclos de carga y descarga continua y controlable de pruebas cuantitativas de tracción, los puentes de diamante demostraron una gran deformación elástica muy uniforme de aproximadamente 7,5% de deformación en toda la sección de calibre de la muestra, en lugar de deformarse en un área localizada al doblarse. 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 Pruebas y Materiales ASTM, lograron una deformación de tracción uniforme máxima de hasta el 9,7%, que incluso superó el valor local máximo en el estudio de 2018, y estuvo cerca deel límite elástico teórico del diamante. Más importante aún, para demostrar el concepto de dispositivo de diamante deformado, el equipo también realizó el esfuerzo elástico 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 de la deformación elástica 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 ella mayor tasa de reducción de la 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, lo que permite que muchos optoelectrónicosaplicaciones con mayor eficiencia.
Estos hallazgos son un paso temprano para lograr una ingeniería de deformación elástica profunda de diamantes microfabricados. Mediante un enfoque nanomecánico, el equipo demostró que la estructura de la banda del diamante se puede cambiar y, lo que es más importante, estos cambios pueden ser continuos y reversibles, lo que permite diferentes aplicaciones.desde sistemas micro / nanoelectromecánicos MEMS / NEMS, transistores de ingeniería de deformación, hasta nuevas tecnologías optoelectrónicas y cuánticas. "Creo que nos espera una nueva era para el diamante", dijo el Dr. Lu.
La investigación en CityU fue financiada por el Consejo de Subvenciones de Investigación de Hong Kong y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de la ciudad de Hong Kong . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :