Por Wang Guangzu (Zhengzhou Research Institute for Abrasives & Grinding),
Wang Yun (Central China Diamond Tool Manufacturing Co., Ltd.),
Qin Yu (Henan Eagle Abrasives & Grinding Co., Ltd.)
El diamante es un material que integra propiedades físicas, químicas y mecánicas superiores. En las últimas décadas, su excepcional dureza y excelente resistencia al desgaste se han utilizado ampliamente, lo que ha permitido su aplicación generalizada en forma de abrasivos, herramientas de rectificado y herramientas de corte en industrias como la maquinaria, el petróleo, la automoción, la industria aeroespacial y el procesamiento de semiconductores, desempeñando un papel insustituible. De hecho, el diamante también presenta excelentes propiedades eléctricas, ópticas, térmicas y acústicas, que aún no se han explorado ni desarrollado plenamente.
El diamante posee excelentes características eléctricas, como una banda prohibida ultraancha, una intensidad de campo de ruptura extremadamente alta y una elevada movilidad de electrones y agujeros, lo que lo convierte en un prometedor candidato a semiconductor definitivo. Desde el punto de vista acústico, el diamante posee la mayor velocidad de ondas acústicas superficiales y un módulo de Young extremadamente alto entre todos los materiales conocidos. Ópticamente, es transparente a los fotones desde el infrarrojo lejano hasta el ultravioleta (por debajo de la energía de la banda prohibida). Desde el punto de vista térmico, el diamante tiene una conductividad térmica superior a la del cobre. Estos atributos confieren al diamante un gran potencial para aplicaciones interdisciplinarias.
El prototipo de las baterías nucleares se remonta a los experimentos realizados en 1913 por el físico británico Henry Moseley, quien demostró el proceso de generación de corriente eléctrica mediante radiación. Durante las décadas de 1950 y 1960, la industria aeroespacial estudió la posibilidad de aplicar las investigaciones de Moseley a las naves espaciales para mejorar el suministro de energía a largo plazo. Por aquel entonces, algunas empresas también estudiaban el uso de baterías nucleares en dispositivos como receptores de radio.
Sin embargo, este tipo de pilas nucleares seguía enfrentándose a limitaciones en términos de seguridad y conductividad eléctrica. En este sentido, la aparición del diamante sintético supuso una solución prometedora. El diamante es uno de los materiales más duros que se conocen y puede modificarse mediante procesos especiales para que sea radiactivo o funcione como semiconductor.
Las baterías nucleares se alimentan de la desintegración beta de los residuos nucleares. La desintegración beta se produce cuando un núcleo radiactivo (compuesto por protones y neutrones) libera un exceso de partículas en un esfuerzo por alcanzar una relación estable protón-neutrón, emitiendo grandes cantidades de partículas beta (electrones o positrones de alta energía) en el proceso.
Cuando las partículas beta chocan contra un material semiconductor, generan una corriente eléctrica que se convierte en energía utilizable. Sin embargo, como las partículas beta se emiten en direcciones aleatorias, sólo un número limitado de ellas puede chocar con el semiconductor, lo que se traduce en una baja producción de energía y una eficacia limitada.
Las baterías de diamante radiactivo se fabrican mediante deposición química de vapor (CVD), una técnica muy utilizada en la producción de diamante sintético. Los investigadores modificaron el proceso CVD introduciendo metano radiactivo que contiene isótopos de carbono-14, produciendo así diamante radiactivo. Los residuos nucleares incorporados actúan como fuente de combustible y, bajo radiación beta, la pila puede proporcionar energía a largo plazo sin necesidad de recarga.
"Se eligió el carbono-14 porque emite radiación de corto alcance que es rápidamente absorbida por cualquier material sólido", explicó el profesor Neil Fox.
Sin embargo, el equipo de la Universidad de Bristol observó que su pila radiactiva -que contiene 1 gramo de carbono-14- sólo produce unos pocos microwatios de potencia, una cantidad significativamente inferior a la de una pila AA típica. En consecuencia, sus aplicaciones actuales se limitan a dispositivos pequeños de baja potencia, como sensores y marcapasos, y aún no son aptas para ordenadores portátiles o teléfonos inteligentes.
Cabe destacar que la batería de diamante radiactivo desarrollada por el equipo de investigación de Bristol está siendo preparada para su comercialización por la empresa británica Arkenlight. Se espera que el primer producto de batería en miniatura de la empresa se lance en la segunda mitad de 2023. (Fuente: Tencent News)
Esta tecnología de refrigeración permite disipar eficazmente el calor de los transistores GaN de alta movilidad de electrones (HEMT) de alta potencia, lo que permite que los amplificadores de potencia funcionen de forma estable a altos niveles de salida.
Los amplificadores de potencia GaN-HEMT de alta frecuencia ya se utilizan en radares y radiocomunicaciones para transmisiones inalámbricas de larga distancia. También se espera que se utilicen en sistemas de radar meteorológico para observar lluvias torrenciales localizadas y en los protocolos emergentes de comunicación por ondas milimétricas 5G. Para los sistemas de radar y radio que operan en las bandas de frecuencia de microondas a ondas milimétricas, el aumento de la potencia de salida de los amplificadores de potencia GaN-HEMT utilizados para la transmisión de señales puede ampliar el rango de transmisión de las ondas de radio. Esto puede ampliar considerablemente el ámbito de observación del radar y mejorar la capacidad y el alcance de las comunicaciones.
Aunque los sustratos de carburo de silicio (SiC) tienen una conductividad térmica relativamente alta, los dispositivos con una potencia de salida cada vez mayor requieren sustratos con un rendimiento térmico aún mejor para transferir eficazmente el calor a las estructuras de refrigeración. El diamante monocristalino, con una conductividad térmica casi cinco veces superior a la del SiC, está reconocido como un material de gestión térmica muy eficaz.
Para unir el diamante monocristalino a los dispositivos utilizados para la refrigeración, los procesos de fabricación convencionales emplean haces de iones de argón (Ar) para eliminar las impurezas de la superficie. Sin embargo, esto suele dar lugar a la formación de una capa dañada de baja densidad en la superficie, que debilita la fuerza de unión del diamante monocristalino. Además, cuando se utilizan películas aislantes como el SiN para la unión, la resistencia térmica introducida por la capa de SiN compromete el rendimiento general de disipación del calor.
Para evitar la formación de capas dañinas en la superficie del diamante causadas por la exposición a haces de iones Ar, Fujitsu ha desarrollado una técnica que protege la superficie con una película metálica ultrafina antes del tratamiento con haces de iones. Para garantizar la planaridad de la superficie (esencial para una unión eficaz a temperatura ambiente), la película metálica debe limitarse a un grosor de 10 nm o menos.
Se ha demostrado que este método evita la formación de capas dañadas tras la exposición al haz de iones Ar, lo que mejora la resistencia de la unión y permite unir diamante monocristalino a sustratos de SiC a temperatura ambiente.
Como resultado, esta tecnología puede utilizarse para producir amplificadores de potencia GaN-HEMT con mayor potencia de salida. Si se aplican a sistemas como los radares meteorológicos, se espera que los amplificadores GaN-HEMT utilizados en los transmisores amplíen 1,5 veces el alcance observable del radar. Esta mejora permitiría una detección más rápida de nubes cumulonimbos capaces de producir aguaceros repentinos, lo que contribuiría a una mejor preparación para la prevención de catástrofes.
(Fuente: Red de Automatización de China)
Como material de interfaz térmica entre la CPU y el disipador de calor, la grasa térmica desempeña un papel fundamental en la disipación del calor. La grasa térmica convencional suele ofrecer una conductividad térmica de unos 10 W/(m-K). La empresa Inex ha presentado una grasa térmica de nanodiamante con una conductividad térmica de hasta 17 W/(m-K), lo que duplica el rendimiento de disipación del calor. Además, mantiene la estabilidad a temperaturas elevadas de hasta 350 °C.
Se afirma que esta grasa térmica, modelo JP-DX2, se fabrica con materiales conductores térmicos de diamante de alta calidad basados en nanotecnología, formando una fina estructura molecular que proporciona una excelente conductividad térmica, que alcanza los 17 W/(m-K).
¿Qué significa esto en la práctica? Las grasas térmicas comunes suelen tener conductividades térmicas inferiores a 10 W/(m-K), y muchas oscilan entre 7 y 8 W/(m-K). Las variantes de alta calidad pueden alcanzar de 10 a 13 W/(m-K). Actualmente, los materiales de interfaz térmica con mejor rendimiento son los metales líquidos, que superan fácilmente los 70 W/(m-K), y algunos incluso los 100 W/(m-K), lo que representa entre 5 y 10 veces el rendimiento de las grasas estándar.
La grasa térmica de nanodiamante duplica esencialmente la capacidad de transferencia de calor. Como interfaz crucial entre la CPU y el disipador térmico, este tipo de grasa térmica mejora notablemente la eficacia de la refrigeración.
Además de su conductividad térmica superior, la grasa JP-DX2 también presenta una excelente estabilidad química: no es corrosiva, es resistente a la oxidación, no es tóxica y tiene una baja volatilidad. Tiene una vida útil de 3 años antes de su uso y de hasta 4 años después de su aplicación. La gama de temperaturas de funcionamiento también es muy amplia, de -150 °C a 350 °C, con un rango de uso recomendado de -140 °C a 340 °C, muy por encima de las exigencias térmicas de los sistemas de refrigeración de CPU habituales.
(Fuente: Fast Technology)
Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales (NIMS) de Estados Unidos ha desarrollado el primer transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) del mundo accionado por un canal de tipo n basado en diamante. Este avance tiene implicaciones significativas para la integración monolítica, es decir, la integración de múltiples dispositivos en un único sustrato semiconductor, tal como la representan los circuitos integrados (CI) convencionales. También supone un paso decisivo en la realización de circuitos integrados de semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS) resistentes al medio ambiente utilizando diamante, y en el avance de la aplicación del diamante en la electrónica de potencia.
Los semiconductores de diamante poseen unas propiedades excepcionales, como una banda prohibida ultraancha (5,45 eV), un alto campo eléctrico de ruptura (10 MV/cm), una elevada velocidad de saturación de portadores y una conductividad térmica superior (22 W/cm-K), además de un excelente factor de calidad del dispositivo. Con el diamante como sustrato, es posible desarrollar dispositivos electrónicos que funcionen en condiciones de alta temperatura, alta frecuencia, alta potencia y resistentes a la radiación, superando así obstáculos técnicos como el autocalentamiento y la ruptura por avalancha. Los semiconductores de diamante han desempeñado un papel clave en el desarrollo de los sistemas de comunicación 5G/6G, los circuitos integrados de microondas/ondas milimétricas y las tecnologías de detección. En particular, en condiciones extremas -como altas temperaturas o entornos de alta radiación cerca de los núcleos de los reactores- los semiconductores de diamante demuestran un rendimiento y una fiabilidad extraordinarios. Por ello, los semiconductores de diamante están ampliamente reconocidos como uno de los materiales semiconductores de nueva generación más prometedores y se han ganado el título de "material semiconductor por excelencia" a nivel mundial.
En los últimos años, con los avances en la tecnología de crecimiento del diamante, la electrónica de potencia, la espintrónica y los sensores de sistemas microelectromecánicos (MEMS) capaces de funcionar a altas temperaturas y con fuertes radiaciones, ha aumentado la demanda de integración monolítica de circuitos periféricos basados en dispositivos CMOS de diamante. Para aprovechar las excepcionales propiedades del diamante y realizar circuitos integrados para sistemas de control medioambiental de gran estabilidad, se espera con impaciencia la fabricación de CMOS de alta potencia. Sin embargo, la fabricación de circuitos integrados CMOS requiere MOSFET de canal tanto de tipo p como de tipo n.
En la actualidad, aunque la fabricación de semiconductores de diamante ha alcanzado una fase de relativa madurez, lograr el dopaje de tipo n en el diamante sigue siendo un importante reto mundial. Durante años, los investigadores han explorado elementos dopantes adecuados y métodos para conseguir un diamantede tipo n de baja resistividad mediante simulaciones teóricas y enfoques experimentales, pero con un éxito limitado. Una de las razones principales es que la mayoría de los estudios anteriores se basaban en teorías de dopaje de silicio monocristalino, que no son aplicables al diamante.
Los principales elementos de impureza estudiados son el boro, el fósforo, el azufre y el litio. Se han introducido en películas de diamante monocristalino o microcristalino durante el crecimiento o mediante implantación iónica. Sin embargo, las películas resultantes suelen presentar una baja conductividad eléctrica y una escasa movilidad de los electrones, lo que las hace inadecuadas para su uso en dispositivos electrónicos. Por ejemplo, el nitrógeno forma una impureza de nivel profundo en el diamante, con una energía de activación de 1,7 eV a temperatura ambiente, lo que limita gravemente la disponibilidad de portadores libres. Aunque el fósforo tiene un nivel de energía menos profundo, también presenta una conductividad de portadores débil a temperatura ambiente. Una vez incorporado al diamante, el fósforo forma fácilmente complejos fósforo-vacancia, que impiden la liberación de electrones libres. Hasta la fecha, no se ha identificado ninguna impureza donante adecuada.
Desde esta perspectiva, urge desarrollar una nueva teoría de dopaje adaptada específicamente a los semiconductores de diamante.
(Fuente: DT Semiconductor)
El equipo dirigido por Liu Xinyu, del Instituto de Microelectrónica de la Academia China de las Ciencias, ha logrado importantes avances en la tecnología de unión directa entre el GaN de capa gruesa y el diamante policristalino. No sólo han superado el reto de la morfología de la superficie del diamante policristalino, sino que también han conseguido una unión directa de alta eficacia con GaN de capa gruesa a temperatura ambiente, lo que abre una nueva vía para el desarrollo y la aplicación de la tecnología de unión de diamante policristalino a nivel de oblea.
Utilizando la avanzada tecnología de pulido dinámico por plasma (DPP), el equipo redujo significativamente la altura de las asperezas superficiales del diamante policristalino a 1,2 nm, consiguiendo una superficie ultrasuave con una rugosidad de sólo 0,29 nm. Sobre esta base, y empleando un método de unión activado por la superficie, lograron con éxito la unión directa a temperatura ambiente de una capa de GaN de 370 μm de grosor a un sustrato de diamante policristalino de ~660 μm de grosor. El rendimiento de la unión alcanzó un impresionante 92,4%, y la estructura puede funcionar de forma estable en un amplio rango de temperaturas de -55°C a 250°C.
En los últimos años, la tecnología de integración heterogénea GaN/diamante ha sido objeto de gran atención por su gran potencial para fabricar transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) basados en GaN de alta fiabilidad y alta densidad de potencia. Entre los métodos disponibles, la unión directa de obleas destaca por sus ventajas de alta conductividad térmica interfacial y baja tensión térmica, mostrando aplicaciones prometedoras en la integración de materiales y dispositivos. Sin embargo, los requisitos extremadamente estrictos de planitud y rugosidad de la superficie suponen una limitación clave para seguir avanzando.
Aunque el diamante monocristalino puede lograr una baja rugosidad superficial y una alta planitud mediante el pulido químico mecánico (CMP), las dificultades para cultivar diamantes monocristalinos de gran tamaño y su elevado coste dificultan su uso práctico. En cambio, el diamante policristalino ofrece ventajas como su bajo coste y gran tamaño, pero su morfología superficial compleja y no uniforme dificulta que el CMP cumpla los requisitos de unión directa. Además, la capa gruesa de GaN presenta problemas de tensión durante la unión, lo que aumenta aún más la dificultad técnica.
El uso de la tecnología de pulido por plasma de ángulo dinámico supone un gran avance en la resolución de los problemas de morfología superficial del diamante policristalino. Esta técnica permite un tratamiento preciso de la superficie del diamante policristalino sin aplicar presión, reduciendo significativamente tanto la rugosidad de la superficie como la altura del pico. En combinación con un método de unión por activación superficial con haz de iones in situ asistido por una nanocapa de silicio, el equipo logró una integración heterogénea satisfactoria de una capa gruesa de GaN y diamante policristalino, alcanzando una tasa de unión de hasta el 92,4%.
Mediante espectroscopia Raman de temperatura variable, el equipo investigó la variación de la tensión residual en la interfaz de unión GaN/diamante en un amplio intervalo de temperaturas. Los resultados mostraron que existían aproximadamente 200 MPa de tensión residual a temperatura ambiente, y que la tensión interfacial aumentaba asimétricamente con la temperatura. Esto se debe principalmente a los coeficientes similares de expansión térmica (CET) entre el GaN y la nanocapa de silicio, y al gran desajuste de CET entre el diamante y la nanocapa de silicio. Esta distribución asimétrica de la tensión confirma aún más la eficacia de la nanocapa de silicio amorfo como amortiguador en el alivio de la tensión.
(Fuente: China Superhard Materials Network)
Científicos rusos han descubierto que un método eficaz para mejorar las propiedades adhesivas del diamante consiste en utilizar wolframio para reforzar la unión entre el diamante y los metales de transición. Uno de los principales objetivos de la investigación en tecnología del diamante es la metalización de sus superficies, que confiere al material nuevas propiedades como la superconductividad, una mayor estabilidad térmica, una mejor humectabilidad y la conservación de sus características físicas y químicas inherentes.
Sin embargo, el diamante se enfrenta a dos limitaciones fundamentales: la dificultad de sintetizar sustratos de diamante de grano grande y la escasa adherencia entre los contactos metálicos y la superficie de diamante.
Una de las formas más eficaces de metalizar el diamante es mediante la sinterización con metales como el titanio, el cromo, el tantalio y el circonio. Estos metales forman una capa de carburo metálico al entrar en contacto con el carbono. En este estudio se seleccionó el niobio por su capacidad para formar películas finas químicamente estables y reforzadas sobre la superficie del diamante. Los investigadores intentaron crear un superconductor en la superficie de diamante y descubrieron que cuando el niobio se deposita sobre la superficie y se calienta, se produce una transformación de fase. Al calentarse, la película se transforma en Nb₂C y, si se sigue calentando por encima de los 1.200 °C, se forma carburo de niobio (NbC).
La estructura cristalina estable del carburo de niobio depende de la densidad de defectos de carbono, que son relativamente comunes en condiciones de laboratorio. Los cálculos teóricos indican que la síntesis de NbC en la superficie del diamante puede producir carburo de niobio de alta calidad con parámetros de red cercanos a los de los materiales sin defectos. Los cálculos sobre las propiedades superconductoras del NbC sugieren que se produce una transición de fase superconductora en torno a 1940 ºC, lo que coincide con las mediciones experimentales. Los resultados también muestran que la calidad de las películas finas de niobio producidas es muy alta.
En particular, en comparación con otras aleaciones basadas en el niobio, las películas de NbC obtenidas presentan una baja densidad de defectos, al tiempo que mantienen una difusividad electrónica suficiente. Esta característica, unida a la superconductividad observada, tiene implicaciones prácticas para el desarrollo de dispositivos de detección electrónica. Los investigadores han confirmado que las capas de NbC sintetizadas presentan propiedades superconductoras.
Al recubrir las superficies de diamante con estas finas películas y aprovechar la elevada conductividad térmica del diamante, es posible desarrollar detectores ultrasensibles. La conducción térmica superior del diamante ayuda enormemente a la detección de señales, ofreciendo una respuesta significativamente más rápida que otros materiales.
(Fuente: Shanghai Metals Market)