El diamante es uno de los materiales más valorados en las tecnologías avanzadas debido a su dureza inigualable, su capacidad para conducir el calor y su habilidad para albergar defectos amigables con los cuánticos. Estas cualidades, aunque útiles, hacen que el procesamiento del diamante sea un desafío considerable. Ingenieros e investigadores que trabajan con diamante para sensores cuánticos, electrónica de potencia o tecnologías de gestión térmica requieren capas ultradelgadas y ultrasuaves. Sin embargo, las técnicas tradicionales, como el corte y pulido láser, a menudo terminan dañando el material o creando defectos en la superficie.
Un método conocido como implantación de iones y lift-off consiste en separar una fina capa de diamante de un cristal más grande bombardeando un sustrato de diamante con iones de carbono de alta energía. Estos iones penetran a una profundidad específica bajo la superficie, creando una capa dañada que actúa como una costura. A través de un proceso de recocido a alta temperatura, esta capa dañada se convierte en grafito liso, lo que permite elevar la capa de diamante superior en una oblea uniforme y ultradelgada.
Avances en la fabricación de películas de diamante ultrapuras
Un equipo de investigadores de la Universidad de Rice ha desarrollado una manera más simple y efectiva de lograr el lift-off. En lugar de recurrir al recocido a alta temperatura, han descubierto que el crecimiento de una epilayer de diamante sobre el sustrato tras la implantación de iones es suficiente para convertir la capa dañada en grafito.
Según un estudio publicado en Advanced Functional Materials, esta técnica refinada permite evitar el recocido a alta temperatura y genera películas de diamante de mayor pureza que los sustratos originales. Además, el sustrato sufre un daño mínimo durante el proceso y puede ser reutilizado, lo que hace que el proceso sea eficiente en recursos y escalable.
“Descubrimos que el crecimiento de diamante por encima convierte la capa de daño enterrada en una delgada hoja grafítica, eliminando la necesidad de un recocido que consume mucha energía”, afirmó Xiang Zhang, profesor asistente de ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice y autor correspondiente del estudio. “La película de diamante resultante es más pura y de mayor calidad que el diamante original, alcanzando la calidad electrónica”.
Estas películas de diamante ultrapuras “podrían revolucionar la electrónica, permitiendo dispositivos más rápidos y eficientes, o servir como base para ordenadores cuánticos que resuelvan problemas más allá de lo que hoy es posible” añadió Zhang. Para lograr el crecimiento de una nueva capa de diamante sobre el sustrato, los investigadores utilizaron la deposición química de vapor por plasma de microondas, un método que deposita nuevo material de diamante en perfecta alineación con el cristal subyacente. Los investigadores hipotetizaron que las condiciones del propio proceso de crecimiento eran suficientes para impulsar la conversión de la capa dañada en grafito, sin necesidad de calentamiento adicional.
Para confirmar esta teoría, el equipo examinó cómo evolucionaron las interfaces entre el sustrato de diamante, la capa de daño enterrada y la película sobrecrecida durante el proceso utilizando una combinación de microscopía electrónica de transmisión, espectroscopía de pérdida de energía de electrones, espectroscopía Raman y mapeo de fotoluminiscencia. “Al correlacionar la imagen a nivel atómico con las firmas espectroscópicas, demostramos que el sobrecrecimiento de diamante es suficiente para formar una capa de liberación grafítica limpia, preservar la suavidad del sustrato y producir películas de diamante de calidad electrónica, lo cual es crucial para las tecnologías cuánticas”, concluyó Zhang.
Al simplificar la producción y aumentar la sostenibilidad, el nuevo método podría habilitar el desarrollo de tecnologías transformadoras basadas en diamante.
