Τεντωμένα διαμάντια για ηλεκτρονικά νέας γενιάς

To διαμάντι είναι το σκληρότερο υλικό στη φύση, ωστόσο, αντίθετα με ό,τι θα περίμενε κανείς, έχει δυνατότητες και ως προς ηλεκτρονικό υλικό: Ομάδα ερευνητών της οποίας ηγήθηκε το City University of Hong Kong (CityU) έδειξε για πρώτη φορά τη δυνατότητα μεγάλου και ομοιόμορφου τεντώματος κατασκευασμένων μέσω microfabrication συστοιχιών διαμαντιών μέσω νανομηχανικής προσέγγισης. Τα ευρήματα αυτά δείχνουν τις δυνατότητες των τεντωμένων διαμαντιών για προηγμένες συσκευές σε μικροηλεκτρονικά, τεχνολογίες κβαντικής πληροφορίας, φωτονικά, κ.α.

 

Της έρευνας ηγήθηκε ο Dr. Λου Γιανγκ, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών στο CityU και ερευνητές από το ΜΙΤ και το HIT (Harbin Institute of Technology). Τα ευρήματά τους δημοσιεύτηκαν στο Science, σε επιστημονικό άρθρο με τίτλο «Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond».

 

«Είναι η πρώτη φορά που φαίνεται η εξαιρετικά μεγάλη, ομοιόμορφη ελαστικότητα του διαμαντιού μέσω πειραμάτων εφελκυσμού. Τα πειράματά μας δείχνουν την πιθανότητα ανάπτυξης ηλεκτρονικών συσκευών μέσω “deep elastic engineering” μικροκατασκευασμένων (microfabricated) δομών διαμαντιών» είπε ο Λου.

 

Τα διαμάντια είναι γνωστά για τη σκληρότητά τους και συνήθως στη βιομηχανία χρησιμοποιούνται για κοπή, τρυπανισμό κ.α. Ωστόσο θεωρούνται επίσης και ηλεκτρονικό και φωτονικό υλικό υψηλών επιδόσεων, λόγω της πολύ υψηλής θερμικής αγωγιμότητάς τους, της δυνατότητας διέλευσης ηλεκτρικού φορτίου και του μεγάλου «bandgap» τους: Το «bandgap» είναι σημαντική ιδιότητα στους ημιαγωγούς, και το ευρύ bandgap επιτρέπει τη λειτουργία συσκευών υψηλής ισχύος και υψηλών συχνοτήτων. «Για αυτό και το διαμάντι μπορεί να θεωρηθεί ως “Όρος Έβερεστ” των ηλεκτρονικών υλικών, καθώς διαθέτει όλες αυτές τις εξαιρετικές ιδιότητες» είπε ο Λου.

 

Ωστόσο το μεγάλο bandgap και η σφιχτή κρυσταλλική δομή του διαμαντιού καθιστούν δύσκολη τη διαχείριση/ ρύθμιση των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των ημιαγωγών κατά την παραγωγή, κάτι που δυσχεραίνει τη βιομηχανική χρήση του διαμαντιού σε ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές συσκευές. Μία πιθανή εναλλακτική είναι μέσω «strain engineering», δηλαδή μέσω της εφαρμογής πίεσης σε πολύ μεγάλο πλέγμα, για να αλλάζει η ηλεκτρονική δομή ζωνών και οι σχετιζόμενες ιδιότητες. Ωστόσο κάτι τέτοιο ως τώρα πιστευόταν πως ήταν πρακτικά αδύνατον για το διαμάντι λόγω της πολύ μεγάλης σκληρότητάς του.

 

Το 2018 ο Λου και συνεργάτες του ανακάλυψαν πως διαμάντια νανοκλίμακας μπορούσαν να καμφθούν με απρόσμενα μεγάλη τοπική ένταση. Η ανακάλυψη αυτή υποδεικνύει ότι η αλλαγή των φυσικών ιδιοτήτων στο διαμάντι μέσω ελαστικού strain engineering θα μπορούσε να είναι δυνατή. Με βάση αυτό, η τελευταία μελέτη έδειξε πώς αυτό το φαινόμενο μπορεί να αξιοποιηθεί για την ανάπτυξη λειτουργικών συσκευών με διαμάντια.

 

Οι έρευνες και τα πειράματα συνεχίστηκαν για να διαπιστωθεί η επίδραση της ελαστικής έντασης/ τεντώματος από 0 στο 12% στις ηλεκτρονικές ιδιότητες του διαμαντιού. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν πως το bandgap των διαμαντιών γενικά μειωνόταν καθώς η ελαστική ένταση αυξανόταν, με τον μεγαλύτερο βαθμό μείωσης bandgap να παρατηρείται από 5 eV στα 3 eV σε ένταση περίπου 9%, σε έναν συγκεκριμένο κρυσταλλικό προσανατολισμό. Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν αυτό το φαινόμενο με περαιτέρω αναλύσεις. Επίσης, οι υπολογισμοί έδειξαν ότι το bandgap μπορούσε να αλλάζει από έμμεσο σε άμεσο με εντάσεις άνω του 9%, σε άλλον κρυσταλλικό προσανατολισμό. Το άμεσο bandgap στους ημιαγωγούς σημαίνει ότι ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να εκπέμπει απευθείας ένα φωτόνιο, επιτρέποντας πολλές οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές με υψηλότερη αποδοτικότητα.

 

Τα ευρήματα αυτά αποτελούν ένα αρχικό βήμα στον κλάδο αυτό. «Πιστεύω ότι μια νέα εποχή για τα διαμάντια βρίσκεται μπροστά μας» είπε ο Λου.