Dispositivo optoeletrônico de diamante revela fenômeno inesperado que lembra relâmpago em câmera lenta

O diamante é, de muitas maneiras, o material definitivo. Além de seu valor estético duradouro, o diamante também é um material industrial altamente versátil. Embora sua reivindicação como a substância mais dura conhecida pela ciência tenha sido usurpada por minerais ultra-raros e materiais sintéticos recentemente desenvolvidos, ele ainda está no topo de muitos rankings de propriedades de materiais.

A capacidade do diamante de conduzir calor (sua “condutividade térmica”) é incomparável, e ele também forma um ambiente hospedeiro ideal para bits quânticos (qubits) que estão atualmente revolucionando os sensores de campo magnético e podem um dia tornar possível a computação quântica em temperatura ambiente.

O que talvez seja menos conhecido é que o diamante também é o material mais utilizado em eletrônicos de alta potência: os elementos de circuito essenciais em usinas de energia, subestações de distribuição elétrica, carros elétricos e outras tecnologias emergentes.

Pelo menos teoricamente.

Diamante é duro

Nenhuma dessas tecnologias usa atualmente diamante, e a grande maioria usa silício, que precisa ser mantido resfriado e tem limites nas voltagens em que pode trabalhar.

Algo como 10% da energia elétrica gerada é desperdiçada devido às limitações do silício, e o diamante poderia reduzir essas perdas em 75%. Então por que não estamos dirigindo carros elétricos equipados com eletrônica de potência de diamante?

Bem, porque o diamante é duro. É difícil de fabricar, difícil de conectar a metais, difícil de fazer em tamanhos grandes e difícil de projetar com as impurezas certas para adaptar suas propriedades elétricas — todas as coisas necessárias para a produção escalável de componentes eletrônicos.

Também não entendemos completamente como as cargas fluem dentro do diamante e como impurezas e defeitos inevitáveis ​​afetam essas propriedades elétricas.

Observar um diamante é eletrizante

Em um estudo recente publicado em Materiais Avançadosconduzido com colegas da Universidade de Melbourne, da Universidade RMIT e do City College de Nova York, buscamos combinar medições elétricas de um dispositivo optoeletrônico de diamante com microscopia óptica 3D.

Nossa motivação era entender várias descobertas curiosas que outros relataram quando essas duas técnicas — medições elétricas e microscopia óptica — foram usadas independentemente.

Ao combiná-los, conseguimos ver pela primeira vez em detalhes tridimensionais impressionantes o que acontece quando cargas entram e se movem através de um dispositivo eletrônico de diamante.

Para fazer isso, usamos impurezas na rede cristalina do diamante que são formadas por átomos de nitrogênio que ficam próximos a uma lacuna na rede, chamada de centros de vacância de nitrogênio ou NV.

Esses centros NV são bem conhecidos como sensores e podem atuar como qubits na computação quântica.

Os centros NV podem ser neutros ou carregados negativamente, e podemos detectar cargas fluindo no diamante monitorando a carga elétrica desses defeitos.

Em nosso microscópio, os centros NV neutros parecem um pouco mais alaranjados do que os centros NV negativos, então podemos criar uma imagem de onde uma corrente fluiu.

Nosso experimento consiste em um diamante com muitos centros NV revestidos com dois eletrodos metálicos dentro de um microscópio óptico.

Usamos um laser verde para gerar uma corrente elétrica no diamante (semelhante ao processo que transforma luz em eletricidade em células solares) e então observamos e registramos por onde essa corrente flui.

Nossa técnica mapeia a estrutura 3D completa da geração e do fluxo de carga ao longo do tempo.

O que vimos foi inesperado.

Um relâmpago em miniatura em câmera lenta

A corrente parece fluir de um lado do dispositivo para o outro em filamentos finos, semelhantes a correntes, que começam (nuclearam) em pontos específicos ao longo dos eletrodos de metal.

É como se um raio tivesse caído.

Você pode ter ouvido que os raios vêm do chão e não das nuvens. O que acontece é que, imediatamente antes de um raio cair, um canal invisível de gás ionizado chamado de “stepped leader” desce da nuvem para o chão.

Este líder é atraído por características do solo, como árvores altas ou pára-raios em edifícios.

O canal que esse líder deixa no ar apresenta um caminho altamente condutor para o retorno do relâmpago visível que então dispara do solo, criando um clarão brilhante de luz bifurcada e em ziguezague.

Um raio real é uma corrente de milhares de amperes fluindo em microssegundos (milionésimos de segundo), mas princípios semelhantes fundamentam o processo que ocorre em nosso diamante, exceto que ele é medido em picoamperes (um trilionésimo de ampère) e em segundos inteiros.

Em nosso circuito de diamante, os elétrons (o “líder” invisível) são atraídos para características específicas na conexão metal-diamante (o “solo”).

À medida que os elétrons fluem, eles criam canais semelhantes a filamentos de maior condutividade atrás deles, pelos quais a carga positiva flui no “curso de retorno” que capturamos através do nosso microscópio.

Por que os elétrons fluem em filamentos? Simplesmente não sabemos—ainda.

Projetando melhor eletrônica de diamante e computadores quânticos

Acreditamos que essas características específicas de “aterramento” no eletrodo — análogas às árvores e arranha-céus que atraem raios — são, na verdade, pontos onde o contato elétrico com o diamante é melhor do que outros pontos.

Podemos usar nossa técnica para localizar precisamente esses pontos focais, tornando-a uma ferramenta de diagnóstico poderosa que pode lançar luz sobre o problema de criar boas conexões metal-diamante em dispositivos eletrônicos.

Por meio deste estudo, também mostramos que podemos projetar os estados de carga dos centros NV no diamante para alterar o fluxo de corrente.

Nós essencialmente desenhamos padrões dentro do diamante com lasers, “carregando” os centros NV e outras impurezas, e criando um tipo de circuito. Este é um bloco de construção potencial para criar dispositivos eletrônicos de diamante opticamente reconfiguráveis.

Nosso trabalho abre uma nova arena de pesquisa em torno do controle do transporte de carga em diamantes e, então, da geração de imagens dos resultados. Isso é importante tanto para a eletrônica emergente de alta potência quanto para a tecnologia quântica.

Também podemos aplicar nossa técnica a outros materiais muito mais avançados em suas aplicações eletrônicas, como o carboneto de silício, que já está alimentando novas gerações de veículos elétricos.

Espera-se que isso leve a melhorias na interface da eletrônica com materiais quânticos e na construção de computadores quânticos em temperatura ambiente usando diamante.