Diamantes são cultivados em um chip – usando sementes de diamante
[Imagem: Jorge Vidal/Rice University]
Plantando diamantes
O diamante é um semicondutor excepcional, com características que o tornam superior ao silício em muitas aplicações, sobretudo aplicações de alta potência e naquelas que devem funcionar em ambientes extremos, incluindo locais com alta radiação, como no espaço ou em reatores nucleares.
Além disso, o diamante dissipa o calor melhor do que a maioria dos outros materiais, o que seria muito útil no gerenciamento térmico das centrais de dados e sistemas de telecomunicações.
Mas a eletrônica de diamante não tem decolado de fato por uma razão muito simples: Diamantes são duros, e não dá para usar neles a mesma tecnologia de fabricação usada hoje pela indústria eletrônica.
“A maioria dos métodos anteriores para formatar diamantes usa uma abordagem ‘de cima para baixo’, onde se cultiva uma camada completa de diamante e depois se tenta esculpi-la ou gravá-la. Como o diamante é tão duro e quimicamente resistente, esse processo de escultura é incrivelmente difícil, lento e pode danificar o material,” detalha o professor Xiang Zhang, da Universidade Rice, nos EUA.
A equipe então se voltou para a abordagem oposta, “de baixo para cima”, na qual os diamantes devem ser cultivados: Os padrões que se deseja desenhar em um chip, por exemplo, são projetados previamente, e então torna-se uma questão de cultivar o diamante, fazendo-o seguir um processo de crescimento de um cristal, construindo o circuito literalmente a partir da base.
[Imagem: Xiang Zhang et al. – 10.1063/5.0319930]
Nucleação
Como não dá para plantar sementes de diamante em uma estufa, os pesquisadores usaram um método conhecido como deposição química de vapor por plasma de micro-ondas.
“Trata-se de um reator que usa energia de micro-ondas – como o da sua cozinha, mas muito mais potente – para transformar gás em plasma,” detalhou Zhang. “Esse plasma decompõe gases ricos em carbono misturados com hidrogênio, e os átomos de carbono precipitam e se depositam sobre o substrato.”
O processo pelo qual a nuvem de átomos de carbono se organiza em uma camada ordenada de cristais de diamante – um diamante é um cristal de carbono no formato cúbico – sobre um determinado substrato é chamado de nucleação. E é aí que entram as tais sementes de diamante.
“A nucleação é como plantar sementes,” explicou Zhang. “Os cristais de diamante não aparecem do nada. Eles precisam de um ponto de partida para se fixarem. A nucleação é simplesmente o processo de fornecer esse ponto de apoio inicial, que permite que os cristais comecem a crescer.”
[Imagem: Xiang Zhang et al. – 10.1063/5.0319930]
Plantando sementes de diamante
Para controlar a colocação das sementes de diamante, a equipe utilizou duas técnicas. Para padrões pequenos e detalhados, foi suficiente usar a fotolitografia, o método padrão em microeletrônica, que consiste em revestir pastilhas de substrato com um material fotossensível, expô-lo parcialmente à luz para fixar o revestimento e, em seguida, remover qualquer material não curado restante.
“Imagine que estamos usando luz para criar um estêncil preciso,” disse Zhang. “O que sobra é um molde para nossas sementes de diamante. Assim, depois que as pastilhas de substrato são preparados, espalhamos um líquido contendo nanodiamantes sobre sua superfície. Essas minúsculas partículas atuam como iniciadores para o crescimento do diamante.”
Para pastilhas maiores, foi necessário usar uma técnica diferente. Primeiro, um filme comercial é laminado sobre a pastilha e, em seguida, um laser corta o padrão desejado no filme. As seções indesejadas são removidas e as sementes de diamante são aplicadas sobre a superfície. Depois que o restante do filme é removido, tudo o que resta é um molde limpo e padronizado para o crescimento do diamante, obtido sem o uso de produtos químicos agressivos ou processamento complexo.
As pastilhas semeadas são então colocadas no reator de plasma de micro-ondas e banhados com átomos de carbono, que se depositam sobre as sementes, construindo diamante sólido camada por camada.
[Imagem: Xiang Zhang et al. – 10.1063/5.0319930]
Gerenciamento térmico
O novo método permite controlar não apenas onde o diamante cresce, mas também como ele cresce. Ajustando a densidade da semeadura, é possível influenciar o tamanho e a estrutura dos cristais dentro de um único padrão. Como prova de conceito, a equipe testou substratos de silício e nitreto de gálio, mas o método também pode ser aplicado a outras camadas de base.
“A principal conclusão é que encontramos uma maneira escalável e eficaz de integrar o resfriamento por diamante em eletrônicos,” disse o professor Pulickel Ajayan. “Isso é importante porque o calor é o que limita a duração da bateria do seu celular e a velocidade do seu computador. Ao usar diamante para resfriar esses dispositivos com mais eficiência, podemos abrir caminho para uma tecnologia mais rápida, confiável e duradoura.”
Agora, a equipe pretende trabalhar no aperfeiçoamento da interface entre o diamante e os substratos, para possibilitar o desenvolvimento de dispositivos semicondutores de alta potência de próxima geração, como os transistores de alta mobilidade de elétrons.