Un gruppo di ricerca guidato da NIMS è riuscito a sviluppare un cantilever diamantato di alta qualità con valori del fattore di qualità (Q) tra i più alti mai raggiunti a temperatura ambiente. Il gruppo è anche riuscito, per la prima volta al mondo, a sviluppare un chip sensore per sistemi microelettromeccanici a cristallo singolo di diamante (MEMS) che può essere attivato e rilevato da segnali elettrici. Questi risultati possono rendere popolare la ricerca sui MEMS in diamante con una sensibilità significativamente maggiore e una maggiore affidabilità rispetto ai MEMS in silicio esistenti.

Nei sensori MEMS, cantilever microscopici (travi sporgenti fissate ad una sola estremità) e circuiti elettronici sono integrati su un unico substrato. Sono stati utilizzati nei sensori di gas, analizzatori di massa e sonde per microscopio a scansione. Per applicazioni pratiche in una più ampia varietà di campi, compresa la prevenzione dei disastri e la medicina, richiedono maggiore sensibilità e affidabilità.

La costante elastica e la costante meccanica del diamante sono tra le più alte di qualsiasi materiale, rendendolo promettente per l'uso nello sviluppo di sensori MEMS altamente affidabili e sensibili. Però, la microfabbricazione tridimensionale del diamante è difficile a causa della sua durezza meccanica. Il gruppo di ricerca ha sviluppato un metodo di fabbricazione "taglio intelligente" che ha consentito la microelaborazione del diamante utilizzando fasci di ioni ed è riuscito a fabbricare un cantilever di diamante a cristallo singolo nel 2010. Tuttavia, il fattore di qualità del cantilever in diamante era simile a quello dei cantilever in silicio esistenti a causa della presenza di difetti superficiali.

Il gruppo di ricerca ha successivamente sviluppato una nuova tecnica che consente l'incisione su scala atomica delle superfici di diamante. Questa tecnica di incisione ha permesso al gruppo di rimuovere i difetti sulla superficie inferiore del cantilever di diamante a cristallo singolo fabbricato utilizzando il metodo di taglio intelligente. Il cantilever risultante mostrava valori del fattore Q, un parametro utilizzato per misurare la sensibilità di un cantilever, maggiori di un milione; tra i più alti del mondo. Il gruppo ha quindi formulato un nuovo concetto di dispositivo MEMS:integrazione simultanea di un cantilever, un circuito elettronico che fa oscillare il cantilever e un circuito elettronico che rileva la vibrazione del cantilever. Finalmente, il gruppo ha sviluppato un chip MEMS di diamante a cristallo singolo che può essere attivato da segnali elettrici e ha dimostrato con successo il suo funzionamento per la prima volta. Il chip ha mostrato prestazioni e sensibilità molto elevate, operando a basse tensioni e temperature fino a 600°C.

Questi risultati possono accelerare la ricerca sulla tecnologia fondamentale vitale per l'applicazione pratica dei chip MEMS diamantati e lo sviluppo di dispositivi estremamente sensibili, alta velocità, sensori compatti e affidabili in grado di distinguere masse differenti per la leggerezza di una singola molecola.