Conocidos durante mucho tiempo como los más duros 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 una manera controlada para transformar sus propiedades electrónicas, marcándolas de aislantes,a través de semiconductores, hasta muy conductores o metálicos. Esto puede inducirse dinámicamente y revertirse 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.dicen los investigadores.
Sus hallazgos, que se basan en simulaciones, cálculos y resultados experimentales previos, se informan esta semana en el Actas 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; el profesor Subra Suresh, quien es presidente de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, así como exdecano 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 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 tensar 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 del 1 por ciento. Li y sus colaboradores han pasado añosDesarrollar 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 deformación mecánica de moderada a grande, suficiente para alterar ladisposición geométrica de los átomos en la red cristalina del material, pero sin interrumpir esa red.
En un gran avance en 2018, un equipo dirigido por Suresh, Dao y Lu Yang de la Universidad Politécnica de Hong Kong demostró que pequeñas agujas de diamante, de solo unos pocos cientos de nanómetros de diámetro, podían doblarse sin fracturarse a temperatura ambiente paradeformaciones grandes. Fueron capaces de 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 rapidez con la que los electrones pueden moverse a través de un material. Esta propiedad es, por lo tanto, clave para la conductividad eléctrica del material. El diamante normalmente tiene un bandgap muy amplio de 5.6 electronvoltios, lo que significa quees 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 forma 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 es que si puedes cambiar continuamente de 5,6 a 0 electronvoltios, entonces cubres todos losrango de banda prohibida. A través de 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 LED. Incluso puede convertirlo en un detector de infrarrojos o detectar unrango de luz desde el infrarrojo hasta el 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 medida", dice Suresh. "Los métodos demostrados en este trabajo podrían aplicarse a una amplia gama de otrosMateriales semiconductores de interés tecnológico en aplicaciones mecánicas, microelectrónicas, biomédicas, energéticas y fotónicas, mediante ingeniería de deformaciones. "
Entonces, por ejemplo, una sola pieza diminuta de diamante, doblada de modo 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 puede serlogrado a través de dispositivos en tándem que acoplan diferentes tipos de materiales de células solares en capas para combinar sus diferentes bandas de absorción. Estos podrían algún día usarse como fotodetectores de amplio espectro para aplicaciones industriales o científicas.
Una restricción, 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 enlápices.
El proceso también puede convertir el diamante en dos tipos de semiconductores, ya sean semiconductores de banda prohibida "directos" o "indirectos", según la aplicación prevista. Para las células solares, por ejemplo, las bandas prohibidas directas proporcionan una recolección de energía de la luz mucho más eficiente, 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, 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 deestos defectos puntuales ", dice, permitiendo 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 enfoque de deformación elásticaes que es dinámico ", de modo que se puede 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, dicen los investigadores, pero con la investigación en curso esperan que las aplicaciones prácticas sean posibles, en parte debido a un trabajo prometedorque se está realizando en todo el mundo sobre el crecimiento de materiales de diamante homogéneos.
El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Naval de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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