Uma equipa de investigação da Universidade de Hong Kong e da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim fabricou com sucesso um wafer de diamante autoportante ultraduro com 5 polegadas de diâmetro, 3 mm de espessura e uma dureza Vickers superior a 200 GPa, fornecendo uma nova base material para áreas como usinagem de precisão e tecnologia de semicondutores.

Liderado pelo Professor Yang Lu da Universidade de Hong Kong e pelo Professor Li Chengming da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, este estudo é o primeiro a alcançar simultaneamente dimensões de polegada e dureza ultra-alta em materiais de diamante. Os resultados foram publicados na revista Nature Communications, com o título "Inch-scale, ultrahard diamond wafers exceeding 200 GPa hardness via high-frequency pulsed local non-equilibrium growth".

O diamante é considerado um material semicondutor ideal devido à sua excelente condutividade térmica, resistência à radiação e resistência mecânica, superando opções tradicionais como o silício e o carbeto de silício. No entanto, os métodos tradicionais de alta pressão e alta temperatura têm dificuldade em fabricar diamantes ultraduros sem aglutinantes em escala de polegada, tornando-se um gargalo tecnológico.

A equipa desenvolveu um sistema personalizado de deposição química em fase vapor (CVD) assistida por micro-ondas, adotando uma estratégia de dopagem com azoto por pulso de alta frequência para criar um ambiente de crescimento localmente não-equilibrado. Através do controlo preciso das condições de crescimento, prepararam com sucesso wafers de diamante de 5 polegadas. Este mecanismo de regulação dinâmica melhorou a reconstrução superficial e o controlo de defeitos, promovendo a formação de microestruturas específicas.

Testes mecânicos mostraram que estes wafers de diamante atingem uma dureza Vickers de 208,3 GPa, aproximadamente o dobro da dos diamantes tradicionais. A sua resistência ao desgaste é cerca de sete vezes superior à dos substratos de diamante policristalino, e é capaz de produzir riscos claros na superfície de diamante monocristalino, comprovando a sua capacidade de usinagem. A estratégia de dopagem com azoto por pulso também permite a deposição em superfícies tridimensionais de ferramentas.

Análises por microscopia eletrónica de transmissão de alta resolução mostraram que o wafer de diamante contém uma rede tridimensional interligada de alta densidade de defeitos de empilhamento, com uma densidade de 4,3 × 10¹² cm⁻², suprimindo efetivamente o movimento de discordâncias. Espectroscopia de perda de energia eletrónica e simulações computacionais mostraram que a incorporação de azoto reduz a energia de formação dos defeitos de empilhamento, promovendo a sua formação estável.

Este avanço abre novos caminhos para a aplicação do diamante em eletrónica de ambientes extremos, fabrico avançado e gestão térmica de semicondutores. Com o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores de banda proibida ultralarga, espera-se que os wafers de diamante desempenhem um papel importante em MEMS, gestão térmica de chips de alta potência e embalagens avançadas.

O Professor Yang Lu afirmou: "Olhando para o futuro, o controlo regulável das microestruturas e estruturas de banda é crucial para a realização da próxima geração de dispositivos microeletrónicos e optoeletrónicos de diamante. Aproveitando a sua dureza e estabilidade mecânica, os wafers de diamante ultraduros desenvolvidos neste estudo podem servir como uma plataforma ideal para MEMS e nanoestruturas de diamante, impulsionando a industrialização de dispositivos de diamante com engenharia de tensão."

Detalhes da publicação: Autores: The University of Hong Kong; Título: "Engineers fabricate inch-scale, ultrahard diamond wafers exceeding 200 GPa hardness"; Publicado em: Nature Communications (2025).