Investigadores han descubierto una forma de modificar pequeñas agujas de diamante para transformar sus propiedades electrónicas, desde aislantes, semiconductoras, hasta muy conductoras o metálicas. Esto se puede inducir dinámicamente y revertir a voluntad, sin degradación del diamante.
Conocidos desde hace mucho tiempo como los materiales naturales más duros, 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, marcándolas desde aislantes, semiconductoras, hasta muy conductoras o metálicas. Esto se puede inducir dinámicamente y revertir a voluntad, sin degradación del material de diamante.
La investigación, aunque todavía se encuentra en una etapa inicial de prueba de concepto, puede abrir una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluidos nuevos tipos de células solares de banda ancha, LED y electrónica de potencia altamente eficientes, y nuevos dispositivos ópticos o sensores cuánticos.
Sus hallazgos, que se basan en simulaciones, cálculos y resultados experimentales previos, se publican en Proceedings of the National Academy of Sciences. El artículo es del profesor, del MIT, Ju Li y el estudiante de posgrado Zhe Shi; El científico investigador principal Ming Dao; El profesor Subra Suresh, que es presidente de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur y 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 de Moscú.
El equipo utilizó una combinación de cálculos mecánicos cuánticos, análisis de deformación mecánica y aprendizaje automático para demostrar que el fenómeno, teorizado durante mucho tiempo como una posibilidad, realmente puede ocurrir en un diamante 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 implicó 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 las propiedades eléctricas, ópticas, térmicas y de otro tipo 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 ese enrejado.
En un gran avance en 2018, un equipo dirigido por Suresh, Dao y Yang Lu de la City University of Hong Kong demostró que pequeñas agujas de diamante, de solo unos pocos cientos de nanómetros de diámetro, podían 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 banda prohibida, que esencialmente determina la rapidez 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 se puede cambiar de manera gradual, continua y reversible, proporcionando una amplia gama de propiedades eléctricas, desde el aislante hasta el semiconductor y el metal.
“Descubrimos que es posible reducir la banda prohibida de 5,6 electronvoltios hasta cero”, dice Li. “El punto de esto es que si puede cambiar continuamente de 5,6 a 0 electronvoltios, entonces cubre todo el rango de bandgaps. Mediante la ingeniería de deformación, puede hacer que el diamante tenga la banda prohibida del silicio, que se usa más ampliamente como semiconductor, o nitruro de galio, que se usa para los LED. Incluso puede convertirlo en un detector de infrarrojos o detectar una gama completa de luz desde la parte infrarroja hasta la ultravioleta del espectro".
“La capacidad de 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 aplicaciones mecánicas, microelectrónicas, biomédicas, energéticas y fotónicas, mediante la ingeniería de deformaciones”.
Entonces, por ejemplo, una sola pieza diminuta de diamante, doblada de manera que tenga un gradiente de tensión a través de ella, 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 células solares multiunión, dispositivos 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 limitación, que requería 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”, según la aplicación prevista. Para las células solares, por ejemplo, la banda prohibida directa proporciona una colección mucho más eficiente de energía de la luz, lo que les permite ser mucho más delgadas que materiales como el silicio, cuya banda prohibida indirecta requiere una ruta mucho más larga para recolectar la energía de un fotón.
El proceso podría ser relevante para una amplia variedad de aplicaciones potenciales, sugiere Li, como para detectores cuánticos altamente sensibles que usan defectos y átomos dopantes en un diamante. “Usando la tensión, podemos controlar los niveles de emisión y absorción de estos defectos puntuales”, dice, lo que permite nuevas formas de controlar sus estados cuánticos electrónicos y nucleares.
Pero dada la gran variedad de condiciones que son posibles gracias a 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 método de deformación elástica es que es dinámico”, de modo que se puede variar continuamente en tiempo real según sea necesario.
Este trabajo de prueba de concepto en una etapa inicial aún no está en el punto en el que pueden comenzar a diseñar dispositivos prácticos, dicen los investigadores, 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.
Fuente: MIT