Il diamante è il materiale più duro in natura. Ma fuori da molte aspettative, ha anche un grande potenziale come eccellente materiale elettronico. Un gruppo di ricerca congiunto guidato dalla City University di Hong Kong (CityU) ha dimostrato per la prima volta il grande, deformazione elastica a trazione uniforme di array di diamanti microfabbricati attraverso l'approccio nanomeccanico. Le loro scoperte hanno mostrato il potenziale dei diamanti tesi come primi candidati per dispositivi funzionali avanzati nella microelettronica, fotonica, e tecnologie dell'informazione quantistica.

La ricerca è stata co-diretta dal Dr. Lu Yang, Professore Associato nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica (MNE) presso CityU e ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e dell'Harbin Institute of Technology (HIT). I loro risultati sono stati recentemente pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Scienza , intitolato "Raggiungere una grande elasticità di trazione uniforme nel diamante microfabbricato".

"Questa è la prima volta che mostra l'estremamente grande, elasticità uniforme del diamante mediante esperimenti di trazione. I nostri risultati dimostrano la possibilità di sviluppare dispositivi elettronici attraverso l'"ingegneria della deformazione elastica profonda" di strutture microfabbricate in diamante, " ha detto il dottor Lu.

Diamante:"Monte Everest" di materiali elettronici

Ben noto per la sua durezza, le applicazioni industriali dei diamanti sono solitamente il taglio, perforazione, o molatura. Ma il diamante è anche considerato un materiale elettronico e fotonico ad alte prestazioni grazie alla sua altissima conduttività termica, eccezionale mobilità dei portatori di carica elettrica, elevata resistenza alla rottura e banda proibita ultra ampia. Bandgap è una proprietà chiave nei semiconduttori, e l'ampio bandgap consente il funzionamento di dispositivi ad alta potenza o ad alta frequenza. "Ecco perché il diamante può essere considerato come il 'Monte Everest' dei materiali elettronici, possedendo tutte queste eccellenti proprietà, " disse il dottor Lu.

Però, l'ampia banda proibita e la struttura cristallina del diamante lo rendono difficile da "drogare", un modo comune per modulare le proprietà elettroniche dei semiconduttori durante la produzione, ostacolando così l'applicazione industriale del diamante nei dispositivi elettronici e optoelettronici. Una potenziale alternativa è la "strain engineering", cioè applicare una deformazione reticolare molto grande, per modificare la struttura della banda elettronica e le proprietà funzionali associate. Ma era considerato "impossibile" per il diamante a causa della sua durezza estremamente elevata.

Poi nel 2018 Il Dr. Lu e i suoi collaboratori scoprirono che, sorprendentemente, il diamante su scala nanometrica può essere piegato elasticamente con una grande deformazione locale inaspettata. Questa scoperta suggerisce che il cambiamento delle proprietà fisiche del diamante attraverso l'ingegneria della deformazione elastica può essere possibile. Basato su questo, l'ultimo studio ha mostrato come questo fenomeno può essere utilizzato per lo sviluppo di dispositivi funzionali diamantati.

Sforzo di trazione uniforme su tutto il campione

Il team ha prima microfabbricato campioni di diamante monocristallino da cristalli singoli di diamante solido. I campioni erano a forma di ponte, lunghi circa un micrometro e larghi 300 nanometri, con entrambe le estremità più larghe per la presa (vedi immagine:tensione di trazione di ponti diamantati). I ponti di diamante sono stati quindi allungati uniassialmente in un modo ben controllato all'interno di un microscopio elettronico. Sotto cicli di carico-scarico continui e controllabili di prove di trazione quantitative, i ponti diamantati hanno dimostrato un'elevata uniformità, grande deformazione elastica di circa il 7,5% di deformazione su tutta la sezione del calibro del provino, piuttosto che deformarsi in un'area localizzata in flessione. E hanno recuperato la loro forma originale dopo lo scarico.

Ottimizzando ulteriormente la geometria del campione utilizzando lo standard dell'American Society for Testing and Materials (ASTM), hanno raggiunto una deformazione massima uniforme fino al 9,7%, che ha addirittura superato il massimo valore locale nello studio del 2018, ed era vicino al limite elastico teorico del diamante. Ma ancora più importante, per dimostrare il concetto di dispositivo a diamante teso, il team ha anche realizzato la deformazione elastica di matrici di diamanti microfabbricate.

Accordare il bandgap con ceppi elastici

Il team ha quindi eseguito calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT) per stimare l'impatto della deformazione elastica dallo 0 al 12% sulle proprietà elettroniche del diamante. I risultati della simulazione hanno indicato che il bandgap del diamante generalmente diminuiva all'aumentare della tensione di trazione, con il più grande tasso di riduzione del bandgap da circa 5 eV a 3 eV a circa il 9% di deformazione lungo uno specifico orientamento cristallino. Il team ha eseguito un'analisi spettroscopica della perdita di energia degli elettroni su un campione di diamante pre-tesato e ha verificato questa tendenza alla diminuzione del bandgap.

I risultati dei loro calcoli hanno anche mostrato che, interessante, il bandgap potrebbe cambiare da indiretto a diretto con le deformazioni di trazione maggiori del 9% lungo un altro orientamento cristallino. Bandgap diretto nel semiconduttore significa che un elettrone può emettere direttamente un fotone, consentendo molte applicazioni optoelettroniche con maggiore efficienza.

Questi risultati sono un primo passo verso il raggiungimento dell'ingegneria della deformazione elastica profonda dei diamanti microfabbricati. Con un approccio nanomeccanico, il team ha dimostrato che la struttura a fascia del diamante può essere modificata, e, cosa più importante, questi cambiamenti possono essere continui e reversibili, consentendo diverse applicazioni, da sistemi micro/nanoelettromeccanici (MEMS/NEMS), transistor a deformazione meccanica, a nuove tecnologie optoelettroniche e quantistiche. "Credo che una nuova era per il diamante sia davanti a noi, " ha detto il dottor Lu.