Diamante elástico pode ser usado para fazer LEDs e lasers

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Um diamante frágil foi esticado em quase 10% por uma equipe internacional de cientistas na China, que publicaram o estudo na revista científica SCIENCE. A modelagem feita pela equipe sugere que este alongamento altera significativamente as propriedades eletrônicas do material, o que poderia levar a novas aplicações para o diamante, tais como LEDs e lasers de cor variável.

Diamante elástico pode ser usado para fazer LEDs e lasers
Foto: (reprodução/Lucara Diamond Corp)

Além de brilhar brilhantemente na joalheria, o diamante há muito fascina os cientistas por sua gama de propriedades extraordinárias. O diamante é o material mais duro da Terra, tem uma mobilidade muito alta de carga e é quase totalmente transparente. Ele também tem uma alta condutividade térmica e uma altíssima resistência à ruptura dielétrica – uma combinação que seria útil em dispositivos eletrônicos de alta potência.

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Infelizmente, o diamante tem várias propriedades que o tornam impróprio para aplicações eletrônicas. Tem uma grande abertura de 5,47 eV, o que lhe dá muito poucos portadores gratuitos. Além disso, os semicondutores com abertura indireta não interagem eficientemente com a luz através de transições eletrônicas, portanto o diamante não pode ser usado como uma fonte de luz ou uma célula solar.

Engenharia de “deformação”

As propriedades eletrônicas dos semicondutores podem ser alteradas pela adição de átomos de impureza (doping), mas isto é muito difícil no diamante devido à rigidez de sua grade de carbono. Uma alternativa ao doping é a engenharia de deformação, que envolve a mudança do espaçamento atômico em uma malha. 

O processador em cada PC, por exemplo, contém silício deformado com mobilidade de elétrons ou furos que foi alterado pela engenharia de deformação.

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“No silício – no qual também estamos trabalhando – se você aplicar apenas 1% de tensão, você vê uma enorme mudança na mobilidade elétrica”, explica o líder da equipe conjunta Yang Lu da Universidade da Cidade de Hong Kong. Na nova pesquisa, a equipe examinou se a engenharia de deformação poderia ajudar com o diamante.

Os cálculos teóricos sugerem que a malha diamantada deve resistir a deformações de até cerca de 12%. Na prática, porém, quando os diamantes reais são “estressados”, a tensão se concentra nos defeitos da malha, fazendo com que os diamantes se quebrem em vez de se esticarem.

Alta elasticidade

Em 2018, Lu e colegas gravaram diamantes em nanoescala e, ao dobrá-los, demonstraram que os diamantes poderiam apresentar alta elasticidade: “Descobrimos isso, mas o método de deformação não pode ser bem caracterizado”, explica Lu. 

Diamante elástico pode ser usado para fazer LEDs e lasers
Foto: (reprodução/University of Hong Kong)

“Desde então, muitos outros grupos têm feito trabalho de acompanhamento – a maioria computacional – prevendo mudança de fenda, metalização e até supercondutividade”. O teste destas previsões, no entanto, requer a caracterização precisa da deformação.

Em suas novas pesquisas, Lu e colegas usaram processos avançados de fabricação para produzir amostras de diamante monocristal em escala de mícrons, em forma de T, que eles esticaram usando uma garra mecânica feita sob medida. 

Eles mediram diferentes módulos de Young ao longo de diferentes eixos cristalográficos, alcançando uma deformação máxima de 9,7% antes da fratura do diamante. Em valores mais baixos, a malha voltou à sua configuração original quando a deformação foi removida.

“Conseguimos microfabricar o diamante na forma e geometria que desejamos”, diz Lu. “Isto é apenas uma ilustração do conceito do dispositivo”. Podemos escalar para cima”.

Abertura direta da banda 

As limitações experimentais impediram os pesquisadores de medir diretamente os efeitos do alongamento sobre a estrutura da banda eletrônica de suas amostras. Entretanto, os cálculos feitos utilizando a teoria funcional da densidade e seus dados experimentais sugerem que ao longo de um eixo cristalino, a fenda da banda cai de mais de 5 eV para cerca de 3 eV a cerca de 9% de deformação. 

Ao longo de outro eixo, a fenda da faixa muda de indireta para direta.

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O grupo Lu está agora analisando várias aplicações possíveis para diamante esticado, incluindo a fabricação de lasers de diferentes cores. “Intrinsecamente, o diamante tem uma grande abertura de banda, portanto, produziria luz UV“, diz ele. 

“Agora imagine se esticarmos o diamante, ele vai de ultravioleta para violeta, e se o esticarmos ainda mais, ele vai de violeta para vermelho”.

O que os especialistas dizem

Christoph Nebel, diretor fundador da consultoria alemã de tecnologia de diamante e carbono Diacara, diz que afinar a estrutura de banda dos semicondutores usando pressão e tensão de tração “é uma história muito antiga que vai até os anos 50”. 

“O que é surpreendente é que você pode aplicar uma tensão de tração tão forte sem que o diamante se quebre”, ele acrescenta.

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Mark Newton, da Universidade de Warwick no Reino Unido, concorda que o resultado crucial é a elasticidade: 

“Eles abriram todas estas possibilidades, demonstrando este nível de tensão. As mudanças que isto poderia ter para todas as propriedades eletrônicas e optoeletrônicas são apenas uma frase no final de seu papel, mas é aí que virão as coisas legais”. Ele está particularmente intrigado com a mudança para uma abertura de banda direta que, segundo ele, poderia potencialmente levar a um LED em diamantes.

Traduzido e editado por equipe Isto é Interessante 

Fontes: Physics Worlds, SCIENCE Magazine

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