Introducción general

Capítulo 1
Introducción general
El diamante está compuesto de átomos de carbón (C). El diamante y grafito son dos
formas alotrópicas de átomos de C, la diferencia es el arreglo de los átomos en la red. En el
diamante los átomos de C tienen una hibridación sp3, cada átomo de C está unido a cuatro
átomos de C vecinos mediante un enlace covalente para formar una estructura
tridimensional como se observa en la Figura 1.
Figura 1. Estructura del diamante (de Filik, 2006)
En el grafito los átomos de C presentan una hibridación sp2, cada átomo de C está
unido con tres átomos de C por un enlace covalente, formando estructuras laminares como
se ilustra en la Figura 2.
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Figura 2. Estructura del grafito (de Filik, 2006)
El diamante comúnmente se clasifica en base a la absorción óptica del nitrógeno, el
boro y el hidrógeno. El elemento más importante es el nitrógeno, debido a que el diamante
natural lo contiene en alrededor de 98 %. Aunque, no es frecuente, el diamante también
puede clasificarse por sus propiedades físicas, morfología y mineralogía.
Los espectros de absorción son característicos de la impureza, y la absorción en el
infrarrojo es muy sensible a las impurezas intrínsecas y extrínsecas. No hay un arreglo
periódico de los átomos en el cristal por las impurezas, dando lugar a estados localizados
en la banda prohibida que pueden ser activados por la luz en el infrarrojo.
La espectroscopia de absorción permite dividir al diamante en dos grupos. El grupo
I se basa en la cantidad de nitrógeno presente en el diamante, mientras que el grupo II no lo
contiene. La mayoría de los diamantes en la naturaleza contienen nitrógeno, sin embargo,
por la alta concentración del mismo, alrededor del 78 %, son del tipo I. Otros, con baja
concentración de nitrógeno, menor a 1017 cm-3 son del tipo II. El diamante tipo I contiene
átomos de nitrógeno en la red.
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El diamante tipo I es transparente hasta la longitud de onda de  = 300 nm. Como
ya se menciono, el 98 % del diamante natural contiene nitrógeno, sin embargo el 74 % lo
contiene en cantidades muy elevadas por arriba de 200 a 400 ppm, típicamente es del
alrededor de 500 ppm y se ha encontrado en cantidades muy elevadas superiores a 300
ppm.
Tipo IaA: El diamante tipo IaA significa dos átomos de nitrógeno substitucionales
vecinos (centro A). Si el centro A atrapa una vacancia V es posible que se forme el centro
H3, éste centro tiene una estructura simétrica constituido por N-V-N.
El diamante natural puede contener 500 ppm de nitrógeno en forma de centros A y
de 0.01 – 0.1 ppm de átomos de nitrógeno dispersos. La absorción en el ultravioleta es
apreciable con   330 nm y en el infrarojo con   7.5 m (7.8, 8.3, 9.1 y 20.8 m).
Tipo IaB: El diamante tipo IaB significa cuatro átomos de nitrógeno alrededor de
una vacancia (centro B). Si el centro B atrapa una vacancia puede formarse el centro H4
(4N – 2V). La absorción en el infrarrojo es con  = 7.5, 8.5, 9.1 y 12.8 m.
Tipo Ib: El diamante tipo Ib contiene átomos de nitrógeno substitucionales aislados.
En la naturaleza sólo el 0.1 % es tipo Ib. El diamante tipo Ib contiene alrededor de 40 a 400
ppm de nitrógeno, el 80 % está en forma dispersa y el 20 % está en forma de agregados del
mismo. En diamante natural, la concentración de átomos de nitrógenos dispersos puede ser
de alrededor de 5x1019 cm-3 y en diamante sintético del orden de 1018 a 1019 cm-3. La
absorción es con  menor a 500 nm, y picos de absorción en 0.275, 0.370, 7.4, 7.8, 8.8 y
9.1 m.
Tipo Ic: Aunque está clasificado como tipo I, no contiene nitrógeno. Contiene una
alta concentración de dislocaciones, la absorción es con  en el infrarrojo menor a 900 nm.
Exhibe fotoluminiscencia con un máximo localizado en  = 730 nm.
El diamante tipo II no contiene nitrógeno. La concentración de nitrógeno es muy
baja y puede ser menor a 1017 cm-3. El diamante tipo II es el más puro y el más
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transparente, y contiene sólo algunas ppm de nitrógeno y otros defectos. En la naturaleza
sólo alrededor del 1–2 % no con contienen trazas de defectos relacionados con el nitrógeno.
Tipo IIa: El diamante tipo IIa contiene nitrógeno por debajo de 1018 cm-3. Tipo IIb:
La absorción óptica es debido al boro, en diamante natural no excede 1017 cm-3 y en
sintético puede doparse hasta 1020 cm-3. Tipo IIc: La absorción en alrededor de 2900 cm-1
es debido al hidrógeno (Zaitsev, 2001).
Termodinámicamente, el grafito, a presión atmosférica y temperatura ambiente es
estable, y el diamante, es metaestable, es decir, es cinéticamente estable pero
termodinámicamente inestable. El diagrama de fase del C permite identificar las diferencias
entre diamante y grafito como puede observarse en la Figura 3. Sin embargo, el diamante,
a alta temperatura y alta presión es termodinámicamente estable, aprovechándose la región
de estabilidad del diamante, se logro obtener diamante sintético en el laboratorio a T >
1600 oC y p  (6 GPa) para procesos industriales y tecnológicos.
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Figura 3 Diagrama de fase del carbón (de Iakoubovskii, 2000)
Las propiedades que caracterizan al diamante son diversas, en la Tabla 1 se ilustran
algunas de ellas. Sin embargo, tanto el diamante natural como el diamante sintético de alta
temperatura alta presión (ATAP) es monocristalino, escaso y de alto precio, por lo que
eventualmente las aplicaciones fueron limitadas. El diamante sintético de ATAP se utilizo
principalmente como abrasivo y absorbedor de calor.
Otro método de síntesis de diamante no requiere presiones y temperaturas tan
elevadas, es el método de depósito de vapor químico (DVQ). El método de DVQ consiste
en la reacción de una mezcla de gases en el interior de una cámara (vacío) para formar un
material en forma de capa delgada impurificado o de alta pureza, después del depósito, los
subproductos de gases volátiles son removidos al exterior mediante el flujo de los gases a
través de la cámara de reacción. En el interior del reactor, el substrato está expuesto a los
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gases precursores volátiles, los cuales, pueden reaccionar o descomponerse sobre la
superficie del mismo para producir el depósito deseado.
Posee dureza mecánica extrema (90 GPa)
El valor más grande del Módulo de Young (1.2x1012 N/m2)
El menor valor del coeficiente de compresibilidad (8.3x10-13 m2/N)
El más alto valor de conductividad térmica a temperatura ambiente (2x103 W/m oK)
Muy bajo coeficiente de expansión térmica a temperatura ambiente (1x10-6
o
K)
Transparencia desde el ultravioleta profundo al lejano infrarrojo del espectro
electromagnético
Alta velocidad de propagación del sonido (17.5 km s-1)
Buen aislante eléctrico (su resistividad a temperatura ambiente es 1016  cm)
El diamante puede doparse para cambiar su resistividad en el rango de 10-106  cm, y
convertirse en un material semiconductor con un ancho de banda de 5.4 eV
Muy resistente a la corrosión química
Compatible biológicamente
Exhibe baja o negativa afinidad electrónica
Tabla 1 Algunas propiedades del diamante (modificado de May, 2000)
La técnica de fabricación de películas delgadas de diamante mediante DVQ,
permite la descomposición térmica de gases que contienen carbón, comúnmente se utiliza
el CH4, los gases son diluidos en H2 en una atmósfera reducida para posteriormente
depositarse en la forma de diamante en un substrato adecuado. Existen distintas técnicas de
DVQ, dependiendo del modo de activación de la mezcla de gases para lograr la reacción
química necesaria para la separación y la eventual nucleación del diamante en el substrato,
da el nombre y clasifica el tipo especial de crecimiento. La ventaja del método de DVQ
sobre el de ATAP es que es posible formar capas de diamante monocristalino y
policristalino, y además es de menor costo.
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1.1 Depósito de vapor químico mediante filamento caliente
(DVQFC)
El DVQ consiste en lograr una reacción química de la fase gaseosa sobre un
substrato determinado, con el objeto de logar el depósito de algunos de los componentes
del gas en el substrato. Un esquema general de un sistema de DVQ incluye una cámara al
vacío con entrada para la alimentación de gas reactante o precursor, un dispositivo para
calentamiento del gas precursor y un porta substrato con dispositivo de calentamiento.
Para lograr el crecimiento de diamante sintético es necesario que el substrato se
mantenga a una T  700-1000 oC y que el gas precursor sea diluido en H2. La película
policristalina de diamante dependerá de las condiciones de crecimiento en el reactor de
DVQ, por ejemplo, la morfología de la película es sensible a la tasa de crecimiento, al
aumentar es posible que se pierda la calidad de la misma.
El modo de activación del gas precursor en un sistema de DVQ mediante corriente
eléctrica a través de un alambre metálico se conoce como el método de depósito de vapor
químico por filamento caliente (DVQFC), un reactor de DVQFC a baja presión se ilustra
en la Figura 4. Comúnmente, el filamento metálico es de tungsteno o tantalio y puede
alcanzar temperaturas de 1000–2200 oC para lograr la disociación de mezcla de gases CH4
en H2. El substrato en la forma de una placa de silicio (Si) o molibdeno (Mo) se calienta a
temperaturas del orden de 700–900 oC y está muy cercano al filamento metálico ( 1 cm) y
es independiente del calentamiento del mismo. La cámara al vacío esta a una presión de
20–30 Torr con gas precursor conteniendo principalmente una concentración de 1% vol de
metano (CH4) en hidrogeno (H2), lográndose depositar sobre el substrato diamante
policristalino a una tasa de crecimiento del orden de 1-10 m h-1. Las películas de diamante
policristalino son relativamente de buena calidad y de bajo costo.
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Figura 4 Reactor de DVQFC a baja presión (de Ashfold et al., 1994)
Sin embargo, existen algunas desventajas en el método de DVQFC como la
posibilidad de contaminación de las películas por impurezas metálicas debido al filamento
y que estarán presentes en las películas de diamante contaminándolas. Eventualmente, el
filamento puede reaccionar con los gases logrando carbonizarse reduciendo su vida útil de
funcionamiento. A pesar de lo anterior, las películas delgadas de diamante policristalino
son adecuadas para el recubrimiento de herramientas de corte y pulido, detectores y
dosímetros de radiación ionizante y no ionizante. Aunque, por la contaminación de las
películas no son apropiadas en aplicaciones electrónicas, afortunadamente otros métodos
permiten eliminar las inconveniencias.
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1.2 Depósito de vapor químico asistido por plasma de microondas
(DVQMO)
Es posible eliminar los contaminantes debido al filamento caliente, si se usa
microondas para el calentamiento de los gases precursores, dando lugar al método de
depósito de vapor químico asistido por plasma de microondas (DVQMO). En la Figura 5 se
observa un reactor de DVQMO a baja presión. Un reactor de DVQMO es más caro que el
de DVQFC, sin embargo, es ampliamente utilizado para crecer películas de diamante
policristalino y
sus condiciones de funcionamiento son muy similares al reactor de
DVQFC.
Figura 5 Reactor de DVQMO a baja presión (de Ashfold et al., 1994)
El calentamiento del gas se produce a través del acoplamiento de la energía de la
microonda sobre los electrones del gas precursor, mediante una descarga eléctrica,
transfiriendo dicha energía principalmente en la forma de colisiones entre los componentes
del gas precursor. Posteriormente, el gas precursor se calienta provocando la disociación de
las moléculas del gas, y la formación de especies activas para finalmente lograr el depósito
de partículas de diamante en el substrato inmerso en el interior del plasma.
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Un reactor de DVQMO comercial puede tener una potencia de 5 kW usando un
modo particular de microonda de 2.45, y producir películas policristalinas de diamante a
una tasa mayor a 10 m h-1. El método de DVQMO es mucho más limpio al no utilizar un
filamento para el calentamiento del gas precursor.
1.3 El proceso de crecimiento de DVQ de películas delgadas de
diamante
Los procesos físicos y químicos involucrados durante el crecimiento de una
película delgada de diamante por el método de DVQ, incluyen inicialmente la mezcla de
los gases precursores en la cámara (típicamente 1 – 3 % de CH4 en H2) y posteriormente la
difusión hacia el substrato. En el transcurso del proceso de difusión de los gases
precursores, es necesaria la etapa de activación, en donde, el gas absorbe energía producida
por el filamento metálico o la microonda. La energía suministrada a los gases reactantes
produce la fragmentación de las moléculas del gas hacia radicales reactivos, átomos, iones
y electrones (H, H2, CH, CH2, CH3). Por supuesto, en la etapa de activación, existe un
efecto de calentamiento del gas precursor logrando alcanzar temperaturas por arriba de 700
o
C.
Después de la etapa de activación, los fragmentos reactivos siguen mezclándose al
mismo tiempo que ocurren complejos procesos o reacciones químicas hasta que alcanzan a
interaccionar con la superficie del substrato. En el instante de la interacción del gas
reactante con el substrato es posible que alguna especie interaccione y se absorba por el
substrato o después de interaccionar regrese a formar parte del gas, pero también es posible
que se difunda muy cercano a la superficie del substrato, hasta que existan de nuevo las
condiciones para que sea absorbido por el substrato. O exista una reacción sobre la
superficie del substrato depositándose como diamante. El diagrama de C-H-O para el
diamante por DVQ indica que sólo cuando la composición del gas es cercana y ligeramente
superior a la línea de C-O existirá el crecimiento de diamante. En el triángulo de C-H-O
como puede observarse en la Figura 6, la región de crecimiento de diamante se extiende
desde la esquina del H hacia el lado opuesto del triángulo justamente en la línea de C-O. Se
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ha demostrado experimentalmente, que el diamante crece en la región señalada,
independientemente del método de DVQ.
Figura 6 Diagrama simplificado del triángulo C-H-O de Bachmann (de May, 2000)
El hidrogeno atómico es el elemento principal en la mezcla de gases precursores y
es sumamente importante durante el proceso de crecimiento del diamante. Impide la
formación de macromoléculas, compuestos poliméricos, elimina hidrocarburos y reacciona
con especies neutras como el CH4 para crear radicales libres en la forma de CH3 que
pueden adherirse fácilmente a la superficie del substrato. En sistemas que contienen
oxigeno, se cree que los radicales OH tienen un rol similar al hidrogeno atómico, sólo que
los OH son más eficientes para remover grafito, por lo que pueden reducir el tiempo de
crecimiento y mejorar la calidad de la película.
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El material que se utiliza como substrato se elige de acuerdo a las características del
reactor de DVQ. El punto de fusión del substrato debe ser superior a la temperatura
requerida para el crecimiento del diamante en el reactor (comúnmente la T  700 oC) y el
coeficiente de expansión térmica del substrato debe ser comparable al diamante para evitar
la deformación o el rompimiento de la película de diamante al enfriarse.
El substrato debe ser adecuado para la formación de capas de carburo en su
superficie, favoreciendo con ello la adherencia, aglutinación y crecimiento de la película de
diamante. Algunas substancias metálicas como el Cu, Sn, Pb, Ag y Au, así como no
metálicos como el Ge, zafiro y alúmina no son solubles o reactivos con el carbono, son
incapaces de formar capas de carbono y en consecuencia el diamante no se adhiere bien a la
superficie. Otros substratos metálicos como el Pt, Pd, Rh, Ni, Ti y Fe, son sumideros de C,
es decir, los átomos de C pueden disolverse en la superficie del substrato o mezclarse con
el material del substrato, en lugar de adherirse en la superficie para la nucleación del
diamante. Sin embargo, en metales como el Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Ni, Fe,
Y, Al y en algunas tierras raras la capa de carburo crece durante el proceso de depósito,
formándose gruesas películas de carburo afectándose por supuesto las propiedades
mecánicas y limitando el uso de la película de diamante. En substratos no metálicos como
el B y el Si, así como en compuestos que contiene carburo como el SiC, WC y TiC, y en
compuestos que contienen Si en la forma de cuarzo, SiO2 y Si3N4 son susceptibles de
formar una capa interfacial de carburo que favorecerá el crecimiento del diamante (May,
2000).
Sin embargo, el silicio es el material preferido para el crecimiento de películas
delgadas de diamante porque posee un punto de fusión alto (1410 oC), logra formar capas
interfaciales localizadas de carbono del orden de nanómetros y tiene además un coeficiente
de expansión térmica relativamente bajo.
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1.4 Nucleación de las películas delgadas de diamante mediante
DVQ
El crecimiento de diamante en un proceso de DVQ inicia cuando se logra nuclear
un átomo de carbón sobre la superficie del substrato, creándose la fase inicial de una red
tetraédrica sp3. El proceso de nucleación puede ser homoepitaxial o heteroepitaxial,
dependiendo si el substrato contiene o no diamante natural. En el primer caso la red del
diamante se forma átomo por átomo a lo largo del período de depósito.
En el caso heteroepitaxial, al no existir una semilla o sitio de nucleación para los
átomos de carbón, pueden volver a formar parte del gas precursor al reaccionar con el
hidrógeno atómico, por lo que para lograr depositar una capa de diamante sobre el substrato
es necesario aumentar el periodo inicial de depósito en el reactor.
Por lo anterior, existen procesos de tratamiento para el substrato, previos al
depósito, a través de los cuales se busca reducir el tiempo de nucleación y aumentar la
densidad de sitios de nucleación. Uno de los métodos más sencillos es el de pulimento
mecánico con arena de diamante, de 10 nm hasta 10 m en tamaño. Otro sistema de
tratamiento utiliza la agitación ultrasónica para causar el desgaste del substrato inmerso en
una mezcla de arena de diamante en agua. En ambos métodos la idea es producir sitios de
nucleación o semilla, debido a la formación de fisuras o la presencia de pequeñas partículas
de diamante producidas por el polvo de diamante. Un método más eficiente consiste en
aplicar una potencia negativa (100–200 V) al substrato durante la fase inicial de depósito,
con la finalidad de aumentar la rapidez inicial de nucleación, a través de acelerar los
átomos de carbón hacia la superficie del substrato, creando una capa o interfacial más rica
en carbón.
Una vez que los pequeños cristalitos de diamante se han nucleado en la superficie
del substrato, el crecimiento continúa de manera tridimensional hasta que se forman
cristales, a partir de los cuales se forma una película con posibilidad de seguir creciendo de
manera continua hacia arriba sobre el substrato. El efecto resultante es una película
policristalina de diamante con compleja estructura de frontera de grano y varios defectos
superficiales, semejando columnas extendidas sobre y hacia afuera de la superficie del
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substrato. A medida que continúa el proceso de depósito, la película de diamante crece en
espesor, al mismo tiempo que crece el tamaño de los cristales de diamante, pero además
disminuye el número de defectos y fronteras de grano.
La morfología de la película depende de la composición de los gases precursores.
En sistemas con CH4/H2, dependiendo de la concentración de H2 en CH4, la película puede
crecer en una dirección aleatoria, o en las direcciones preferenciales cuadrada (100) o
triangular (111), de acuerdo también a las direcciones favorables debido al substrato.
Cuando la concentración de CH4 aumenta en 3% en relación al H2, la estructura cristalina
de la película tiende a disminuir hasta desaparecer, y puede considerarse que la película
estará formada de agregados de diamante nanocristalino mezclado con grafito (May, 2000)
Las condiciones de crecimiento en un reactor de DVQ influyen en el tamaño de los
cristales de diamante y el espesor de la película delgada de diamante, sus características
morfológicas, sus defectos superficiales y en sus fronteras de grano. Por lo que la calidad
de la película de diamante dependerá de los requerimientos especiales para una
determinada aplicación tecnológica.
1.5 Aplicaciones del diamante sintético
La radioterapia es usada contra ciertos tipos de tumores, sin embargo, el éxito del
tratamiento radica, entre otros factores, en depositar en la zona afectada la cantidad de
energía suficiente para destruir las células tumorales. Por lo anterior, es sumamente
importante cuantificar la dosis absorbida sobre un blanco fijo alrededor del tejido biológico
sano y evitar en lo posible los riesgos hacia otros órganos del tejido humano.
En la práctica, es necesario evaluar con la más alta precisión posible el porcentaje
de penetración de la dosis de radiación en el tejido biológico, la distancia de la fuente de
radiación a la superficie, entre otros significativos factores.
Aunque, la verificación
geométrica del volumen a irradiar y los campos de radiación a utilizar son importantes
para el éxito del tratamiento, es de vital importancia comprobar que la dosis que recibe el
paciente en las diferentes sesiones de irradiación sea la correcta. En la dosimetría en tiempo
real, es posible cuantificar la dosis del haz de fotones de la fuente radiativa y controlar la
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dosis de radiación hacia el blanco fijo (tumor maligno) y medir la dosis a los órganos en
riesgo. Para la dosimetría in vivo, comúnmente se utilizan diodos PIN así como los
transistores MOS o MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor).
Adicionalmente, se debe calibrar la fuente de radiación, por lo que es inevitable
realizar dosimetría preliminar con referencia a un detector de radiación, comúnmente son
utilizados para este objetivo las cámaras de ionización, los detectores de estado sólido de
semiconductores como el silicio, los contadores de centelleo y los dosímetros
termoluminiscentes (TLD). En la calibración es inevitable modular la intensidad del haz de
fotones, lo cual, puede incluir archivos de datos de la dosis absorbida con altos gradientes
en la dosis y a la vez cambios significativos en el ancho del haz; por lo que pudiera existir
una desviación significativa de la dosis a través del gran volumen de la cámara de
ionización (Górka, 2008).
Por lo que un detector de radiación alternativo que sea de volumen activo muy
pequeño y altamente sensible a la radiación sería muy adecuado. Los detectores de diodos
de silicio y centelleadores son pequeños, sin embargo, exhiben cierta dependencia con la
energía, además la respuesta del detector debe ser independiente de la energía de radiación
en comparación con la dosis absorbida en el agua, calibrado a una cierta intensidad del haz
y proporcionar una señal correcta en cualquier intensidad del mismo.
Por lo que la propiedad del diamante de ser muy sensible a la radiación, abre la
posibilidad de detectores de volumen muy pequeño y con pequeños campos de radiación y
altos gradientes de dosis. Sin embargo, se espera que los detectores de radiación de
diamante exhiban una respuesta lineal con la razón de dosis, no obstante, dependen del tipo
y concentración de impurezas y podrían presentar una ligera desviación de la linealidad con
la dosis y la razón de dosis, respectivamente. Afortunadamente, en el reactor de DVQ es
posible controlar las condiciones de crecimiento para logar crecer diamante de alta calidad
reduciendo en lo posible la contaminación de la muestra por impurezas como el boro,
oxigeno y nitrógeno, fronteras de grano y grafito.
Lo anterior, da la posibilidad del uso de detectores de radiación de diamante en las
prácticas comunes de radioterapia, aunque la estabilidad en la señal y la dependencia con la
razón de dosis deben ser mejoradas. Por todo, los detectores de radiación de diamante
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destacan en algunos aspectos a los detectores de radiación convencionales como al diodo
de silicio por su escasa dependencia con la energía en los rangos utilizados en radioterapia
para la eliminación de tumores malignos y su resistencia al daño por radiación evitará en lo
posible la recalibración frecuente del detector; y a la cámara de ionización por su alta
resolución espacial.
En otro contexto, en dosimetría clínica se debe determinar la dosis absorbida en el
tejido humano. Los dosímetros de diamante ofrecen una alternativa muy interesante al
respecto. Su número atómico Z = 6, es muy cercano al número atómico del tejido biológico
Zprom = 6.5, y de otros materiales substitutos del tejido como es el agua Zprom = 6.6. Otra
propiedad sumamente importante en dosimetría para terapia de radiación es su no
toxicidad, su resistencia a la corrosión química y al daño por radiación ionizante.
Otra propiedad importante del diamante es su extrema dureza, es el material más
duro que existe en la naturaleza, propiedad asociada con una gran cantidad de procesos
industriales y tecnológicos. Es ideal para su uso en revestimiento de herramientas de corte
y pulido principalmente en metales no ferrosos, plásticos, dispositivos electrónicos y en
algunos compuestos. Sin embargo, en metales ferrosos como el acero y en aleaciones de
níquel y titanio es químicamente reactivo. Los cristales monocristalinos provenientes de la
naturaleza y los hechos por la técnica de alta presión alta temperatura son muy quebradizos.
En el método de DVQ se pueden crecer películas de diamante policristalinas que pueden
ser usadas sobre capas de carbono y tungsteno aumentando su dureza y su vida útil, además
que son de un costo mucho menor. Además de la extrema dureza del diamante, posee alta
conductividad térmica, siendo un excelente material en sensores de presión y de
temperatura. Las películas delgadas de diamante impurificadas en el método de DVQ son
comúnmente componentes activos en los sensores de presión.
El diamante es además transparente en un ancho rango de longitudes de onda desde
el ultravioleta profundo al lejano infrarrojo (IR) del espectro electromagnético, y es
resistente a la corrosión química, es inerte y no es tóxico. Puede ser usado en láseres de IR
de alta potencia o en detectores de ventana en condiciones ambientales severas. Además,
por su alta conductividad térmica, evitara el calentamiento local de la ventana en el laser de
alta potencia. Los materiales comúnmente usados para este objetivo son el ZnS, ZnSe y Ge,
sin embargo, son sumamente frágiles y propensos a dañarse. Por otro lado, los electrodos
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de diamante podrían ser usados en el análisis de contaminantes, como el nitrato, en
suministros de agua y removerlos.
El diamante es un excelente conductor de calor, posee el más alto valor de
conductividad térmica a temperatura ambiente (2x103 W/m oK) superando al cobre en un
ancho rango de temperaturas y es un aislante eléctrico. Por el método de DVQ es posible
crecer películas delgadas de diamante con conductividades térmicas por arriba de 20 W cm1 o
K-1 (Smith, 2002; May, 2000). En particular, las películas de diamante “free standing”
por DVQ son usadas como difusor de calor.
El diamante es un aislante eléctrico, pero con la incorporación de impurezas en el
reactor de DVQ pueden crecerse películas de diamante semiconductora con aplicaciones
directas en microcircuitos electrónicos de escasos micrómetros de espesor, diodos Schottky
de diamante y transistores de alto voltaje y alta potencia.
El diamante exhibe baja o negativa afinidad electrónica, es decir, la barrera de
energía para expulsar a un electrón desde su superficie es muy pequeña y de valor negativo.
La emisión de electrones en un metal se presenta cuando al aplicar un campo eléctrico
intenso se supera la barrera de energía o la función de trabajo del material para escapar de
la superficie. Una vez que los electrones son expulsados de la superficie son acelerados
para posteriormente golpear una pantalla con la subsecuente emisión de luz. Cada emisión
del cristal de diamante formará un pixel sobre un exhibidor de pantalla plana. El cual,
consume muy baja potencia y es extremadamente eficiente, relativamente simple y no es
sensible a los cambios bruscos de temperatura.
La propiedad antes mencionada es muy importante debido a que el exhibidor de
emisión de campos de cátodos fríos (FEDs, siglas en ingles) de diamante destaca sobre el
exhibidor de cristal líquido común (LCD, siglas en ingles), además que posee mayor
brillantes y mayor ángulo de vista. Existen otras aplicaciones para la emisión de electrones
en el diamante como los amplificadores de microondas y la microelectrónica al vacio. No
obstante, también hay un gran interés en la generación de emisión de electrones en
materiales como los nanotubos de carbón (CNT, siglas en inglés).
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Puesto que la velocidad acústica de propagación en la red del diamante es muy alta
más de 1x104 m/s y aunque no es un material piezoeléctrico, es un substrato adecuado en
dispositivos de ondas acústicas superficiales como el ZnO, donde, las vibraciones
mecánicas del diamante son convertidas a señales eléctricas. Los materiales convencionales
están limitados a una frecuencia de 2.5 GHz, los dispositivos de ondas acústicas
superficiales de diamante policristalino pueden incrementar la velocidad en los sistemas de
comunicación hasta 10 GHz y aún en frecuencias más altas (Smith, 2002)
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