Hacia la superconductividad en diamantes dopados con boro

El diamante es un material de gran interés tecnológico y científico debido a sus excelentes propiedades físicas, químicas y estructurales. Entre otras, el cristal de diamante es el sólido natural más duro, retiene sus propiedades sólidas hasta temperaturas extremadamente altas y combina un excelente aislamiento eléctrico con la conductividad térmica más alta conocida.

Más recientemente se descubrió que el diamante dopado con boro puede presentar superconductividad a bajas temperaturas, aunque no se comprenden completamente los detalles del fenómeno.

Ahora, investigadores del Centro de Microanálisis de Materiales (CMAM) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) han estudiado los efectos de la irradiación con iones de boro en diamantes y su recuperación térmica, con el objetivo de explorar la posibilidad de obtener estructuras superconductoras.

El estudio, publicado en la revista Carbon, analiza el daño severo infligido a los cristales de diamante cuando son irradiados con iones acelerados hasta energías de 9 millones de electrón-voltios (MeV), y su posterior recuperación al calentar los diamantes a 1000 °C.

Los investigadores utilizaron cristales de diamante de alta pureza, irradiándolos con iones de boro en el acelerador del CMAM. Posteriormente, estudiaron las consecuencias a nivel microscópico mediante mapas locales de espectroscopía Raman a escala micrométrica en el ICMM.

Aunque la superconductividad no se alcanzó en las muestras de diamante dopadas con boro en este estudio, los hallazgos proporcionan información valiosa sobre el comportamiento de los diamantes irradiados con iones de boro y sus posibles aplicaciones en la ciencia de materiales.

Las futuras investigaciones en este campo podrían abrir nuevas vías para el desarrollo de materiales avanzados y dispositivos electrónicos con propiedades únicas y aplicaciones innovadoras.

Acelerador de iones y mapas de micro-Raman

El CMAM cuenta con uno de los dos centros de aceleradores de iones en España. Los investigadores utilizaron el acelerador para fabricar microestructuras de diamante con boro implantado, dirigiendo selectivamente un microhaz de iones de boro con suficiente energía para penetrar en la muestra de diamante. Luego, estudiaron estas áreas irradiadas mediante mapas bidimensionales de espectroscopía Raman y fotoluminiscencia en el ICMM.

Así, encontraron que, a medida que aumenta la fluencia de boro, el carbono migra a sitios intersticiales fuera de la ruta de implantación y la fracción de carbono amorfo aumenta dentro de la ruta de irradiación. Para fluencias bajas, el recocido a 1000 °C es capaz de recuperar completamente la estructura del diamante sin grafitización, mientras que para fluencias más altas, la recuperación es importante, pero queda algún desorden. Para fluencias altas, el recocido a 1200 °C es perjudicial para la red de diamante y aparecen trazas de grafitización.

Los investigadores midieron la resistencia eléctrica de una selección de las irradiaciones más representativas en el Laboratorio de Bajas Temperaturas de la UAM. En ningún caso observaron la transición superconductora, al menos enfriando hasta 2 Kelvin. Sin embargo, las muestras tratadas a 1000 °C presentaban una clara mejora en su conductividad eléctrica, pero esta empeoraba órdenes de magnitud tras el posterior recocido a 1200 °C.

La investigación concluye que una curación incompleta de la red cristalina del diamante y la ubicación intersticial del boro podrían explicar por qué las muestras dopadas de manera óptima no presentan superconductividad.

^{Imágenes del cristal de diamante irradiado con iones de boro (B) a 9 MeV, donde se aprecian las diferentes franjas de irradiación (rayas grises) producidas con diferentes fluencias: (a) justo después de la irradiación; (b) la misma muestra después de recocerla a 1200 °C. (c) Esquema del lateral irradiado del diamante y (d, e) ampliaciones indicando la zona barrida con el micro-Raman (rectángulo rojo) para una de las rayas de implantación. El haz de iones de B (flechas amarillas) avanza en paralelo al eje y, barriendo en la dirección z atravesando el espesor (0.5 mm) de la muestra de diamante. La dirección de la luz del láser se indica en azul, la region implantada de boro (alrededor de 5 μm de la superficie) es representada por una línea amarilla y la ruta del boro irradiado en gris / Alicia de Andrés y Miguel Ángel Ramos}

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Referencia bibliográfica:

Jiménez-Riobóo, R. J., Gordillo, N., de Andrés, A., Redondo-Cubero, A., Moratalla, M., Ramos, M. A., Ynsa, M. D. 2023. Boron-doped diamond by 9 MeV microbeam implantation: Damage and recovery. Carbon 208: 421−431. doi: 10.1016/j.carbon.2023.04.004

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