Como a Rough&Polished noticiou recentemente, os cientistas e engenheiros russos estabeleceram um novo recorde no outono de 2024, quando a empresa New Diamond Technology (NDT), em conjunto com o NPK (Complexo Científico e de Produção) Almaz, criou o maior diamante monocristalino sem nitrogénio do mundo (incolor, tipo IIa), pesando 70,72 quilates.
Alexander Kolyadin, diretor executivo da NPK Almaz-Karabanovo, falou à Rough&Polished sobre os planos da Almaz-Karabanovo que dirige (fundada pela NPK Almaz, sediada em São Petersburgo) para produzir diamantes cultivados em laboratório na cidade de Karabanovo, na região de Vladimir, sobre o projeto Diamond Valley na Zona Económica Especial (ZEE) denominada "Vladimir" e sobre o fabrico de produtos à base de diamantes para a indústria eletrónica.
O que pensa sobre a situação atual do mercado dos LGD - diamantes brutos monocristalinos cultivados em laboratório - e dos diamantes polidos feitos a partir deles?
Na minha opinião, o termo "LGD" - diamantes cultivados em laboratório - é obsoleto e incorreto porque, ao longo de uma década de desenvolvimento desta área, as condições laboratoriais para o cultivo de cristais de diamante pelos métodos HPHT e CVD transformaram-se em dezenas de fábricas de grande escala com centenas a vários milhares de prensas e instalações. Por conseguinte, seria correto alterar a designação para "diamantes cultivados" ou, para ser mais específico, "diamantes HPHT" ou "diamantes CVD".
O enorme crescimento da indústria de criação de diamantes brutos e de diamantes polidos a partir deles passou por fases-chave de desenvolvimento bastante difíceis, numa luta séria com a indústria de diamantes brutos e polidos naturais. É claro que nós estivemos entre aqueles que experimentaram todas as dificuldades deste desenvolvimento do mercado - desde o preconceito negativo em relação aos diamantes cultivados, expresso pelas principais empresas mineiras e famosas marcas de jóias, até à luta pelas patentes. Graças a entusiastas dos diamantes cultivados como Tamazi Khikhinashvili (INREAL Ltd, NDT LLC, São Petersburgo) e Vishal Mehta (IIa Technologies Pte. Ltd, Singapura), a International Grown Diamond Association (IGDA) foi fundada em 2015. Atualmente, a IGDA reúne a maioria das empresas que trabalham neste sector.
Atualmente, todo o volume de diamantes sintetizados deve ser dividido em três segmentos independentes. O primeiro segmento, e o mais volumoso, é a síntese de pós e a sinterização de policristais a partir deles, bem como a fabricação de abrasivos de diamante e ferramentas de lâmina. A produção de pó de diamante na China foi estimada em 17 mil milhões de quilates em 2023. O segundo segmento é o crescimento de cristais para a indústria de jóias. De acordo com os resultados para 2023, a produção global de diamantes cultivados com qualidade de gema é de 10% da produção de diamantes naturais.
O terceiro segmento, o mais complexo e promissor, é o cultivo de cristais de diamante de qualidade eletrónica para o fabrico de componentes electrónicos e vários sensores para a indústria eletrónica, ótica, engenharia mecânica, espacial, energia, médica e outras indústrias.
É de notar que, de acordo com a agência analítica Virtue Market research, a taxa de crescimento anual composta (CAGR) da indústria de diamantes cultivados em laboratório deverá ser de 12,3 por cento entre 2024 e 2030, passando de 151 milhões de dólares para 342 milhões de dólares em termos de valor.
Este desenvolvimento intensivo da indústria de diamantes cultivados em laboratório num período de tempo relativamente curto (em 10 anos) resultou na saturação do mercado da joalharia e numa descida do preço dos diamantes [cultivados em laboratório] para um nível sem precedentes: um desconto de 99 por cento em relação ao preço dos diamantes naturais (segundo Rapaport). A este respeito, algumas fábricas que produzem diamantes de qualidade de gema começam a deixar de produzir cristais de diamante, uma vez que a produção de diamantes polidos se torna frequentemente não rentável.
O que está a acontecer na empresa NDT?
A empresa NDT continua a obter resultados recorde na produção de diamantes HPHT grandes e extra-grandes, produzindo até 230 quilates por mês por cada prensa em dois ciclos, utilizando o método multi-semente, com o tamanho médio dos cristais superior a 25 quilates, o que ainda não foi alcançado por nenhuma outra empresa de produção de diamantes.
É de salientar que a empresa produz diariamente vários cristais de diamante de grandes dimensões (mais de 10,8 quilates), uma produção inatingível para as empresas de extração de diamantes naturais. Ao mesmo tempo, as abordagens tecnológicas da empresa para a produção HPHT estão a tornar-se cada vez mais "electrónicas". A empresa enfrenta uma séria tarefa de transferir as tecnologias utilizadas no cultivo de cristais de qualidade de gema para o cultivo de cristais de diamante de qualidade eletrónica.
Como é que os diamantes monocristalinos são utilizados nas novas tecnologias? Que tendências e perspectivas pode destacar?
Como é sabido, os cristais de diamante HPHT, com a sua boa estrutura cristalina, densidade mínima de deslocação, ausência ou quantidade mínima de tensão, apresentam níveis elevados de impurezas de fundo não controladas nos cristais devido à baixa pureza dos materiais das peças do recipiente. Pelo contrário, a situação é oposta nos cristais CVD: a densidade de deslocação é elevada, o nível de tensão é elevado, mas o nível de impurezas é mínimo devido à possibilidade de trabalhar com gases quimicamente puros.
Para criar dispositivos altamente eficientes com parâmetros que não podiam ser alcançados anteriormente, é necessário que estas tecnologias se ajudem mutuamente.
No entanto, a introdução do diamante como material da próxima geração a ser utilizado na eletrónica é acompanhada por uma série de problemas.
Quais são exatamente esses problemas?
São os problemas associados ao seu custo ainda elevado, às dificuldades de processamento, à falta de substratos monocristalinos de diamante com dimensões superiores a 3/4 de polegada, à falta de métodos eficazes de dopagem dos diamantes, bem como à obtenção do nível necessário de concentração de portadores de carga à temperatura ambiente devido à significativa profundidade energética das impurezas eletricamente activas. O problema é a impossibilidade de utilizar de forma rentável o equipamento tradicional para o fabrico de componentes electrónicos em substratos com mais de duas polegadas. Como é sabido, já existe equipamento para o processamento de substratos feitos de materiais semicondutores tradicionais até 18 polegadas de dimensão (Disco, Japão).
Vários centros científicos e tecnológicos nos Estados Unidos, Inglaterra, Alemanha e Austrália (E6, MIT, DiamFab, Quantum Brilliance, etc.) fizeram grandes progressos na obtenção de parâmetros extremos para os dispositivos que utilizam diamantes cultivados, enquanto realizam trabalhos de investigação e desenvolvimento sobre a utilização de diamantes cultivados e, por conseguinte, estão a passar ao trabalho de conceção experimental através da introdução de diamantes cultivados na indústria.
A introdução mais generalizada de diamantes é nos elementos dos tubos de calor, uma vez que o diamante tem a condutividade térmica mais elevada, excedendo em 4 vezes a condutividade térmica do cobre. A utilização de diamantes como dissipadores de calor torna possível, mesmo para os materiais semicondutores tradicionais, aumentar a fiabilidade e a estabilidade do funcionamento da BCE (base de componentes electrónicos) nos modos de funcionamento máximos dos dispositivos electrónicos. A propósito, os diamantes de qualidade de gema podem ser efetivamente utilizados como dissipadores de calor.
Durante 2023-24, o diamante é ativamente introduzido nos sensores quânticos com base nos chamados centros de vacância de azoto (NV) nos diamantes, pelo que são fabricados computadores quânticos, magnetómetros quânticos e giroscópios, e há realizações na geração de laser com base nos centros NV nos diamantes.
Fale-nos do projeto Diamond Valley e do NPK Almaz-Karabanovo, que dirige? O que é que vai ser produzido?
O projeto Diamond Valley foi lançado por nossa iniciativa, juntamente com A. A. Avdeyev, Governador da Região de Vladimir, e foi apoiado por M. V. Mishustin, Primeiro-Ministro da Federação Russa, em 2022, o que resultou na criação da Zona Económica Especial "Vladimir" na cidade de Karabanovo, na Região de Vladimir.
O projeto baseava-se em dois materiais: carboneto de silício e diamante. Como é sabido, o carboneto de silício tornou-se um dos materiais mais populares utilizados na eletrónica de potência nos últimos dois anos. É por isso que o escolhemos como "motor" para a introdução do diamante na eletrónica. Foram criadas quatro empresas residentes (Almaznaya Dolina, Almaz-Karabanovo, TsTM-Karabanovo e Ekstrem-Karabanovo) com especialistas no cultivo destes materiais, no seu processamento, na produção de substratos do tipo "epi ready", no fabrico de componentes electrónicos a partir deles e na montagem de módulos com base neles. Estas empresas juntaram-se ao Grupo de Empresas (GC) do consórcio Almaznaya Dolina (Vale dos Diamantes). A peritagem estatal do projeto foi concluída em novembro de 2024, e a construção de oficinas e divisões do consórcio GC está programada para começar no início do próximo ano. Atualmente, o nosso consórcio trabalha em rede, utilizando as capacidades das empresas NDT (cultivo de diamantes HPHT), NPK Almaz (desenvolvimento de tecnologias de processamento de diamantes e produção de substratos), Almaznye Tekhnologii (Diamond Technologies) (diamantes mono e policristalinos CVD), bem como as empresas de base da indústria eletrónica, como o Instituto de Investigação de Sistemas de Medição (VNIIEF NIIIS) com o nome de Sedakov e a Fábrica Aleksandrovsky de Dispositivos Semicondutores Krip Techno, que se juntaram ao consórcio. Os nossos parceiros são também a Universidade Eletrotécnica de São Petersburgo e a Universidade Estatal de Vladimir.
Quais são as perspectivas para o vosso futuro produto, que produção de diamantes sintéticos vão fornecer?
Utilizamos frequentemente o slogan "Quando não consegues fazer nada a partir de um diamante em bruto, faz um diamante polido". Mas acreditamos que não é racional utilizar um material único para fabricar estes artigos, pelo que nos esforçamos por fabricar produtos de alta tecnologia com propriedades electrofísicas, termofísicas, ópticas e mecânicas que garantam a criação de produtos de micro e nanotecnologia de nova geração com capacidades funcionais, modos e condições de funcionamento que não eram possíveis anteriormente. Atualmente, produzimos 400 cristais de grandes dimensões por mês para I&D com um peso médio de 25 quilates cada.
Há uma opinião de que a Rússia está a ficar muito atrás do Ocidente e mesmo do Oriente em termos de tecnologia. Qual é a sua opinião sobre as possibilidades de desenvolvimento das tecnologias e do know-how nacionais? Existe a possibilidade de um avanço? De que é que isso depende?
Não concordo com esta opinião sobre o nível tecnológico dos diamantes na Rússia, porque, ao contrário de outros desafios, a base científica de materiais da Rússia proporcionou agora a oportunidade de formar uma rota tecnológica inovadora completamente nacional para o fabrico de diamantes electrónicos com caraterísticas de energia-frequência, temperatura e condições de funcionamento de radiação que não eram possíveis anteriormente. Isto tornou-se possível devido ao desenvolvimento e implementação da tecnologia para o crescimento dos maiores cristais sintéticos de diamante único na Rússia, bem como o desenvolvimento de processos para a obtenção de camadas de diamante epitaxial dopado. Atualmente, existe uma unificação das escolas científicas russas de diamantes e do seu saber-fazer em consórcios para criar uma indústria nacional de diamantes completamente independente, baseada em diamantes de qualidade eletrónica, que pode ser considerada como um desafio lançado pela Rússia para alcançar a superioridade numa esfera científica altamente intelectualizada.
Para corroborar estas palavras, confirmamos a estabilidade do nosso saber-fazer, porque hoje, um mês depois, os nossos especialistas produziram outro diamante bruto sem nitrogénio, ainda maior, com 81,35 quilates e dimensões de 22,82x24,89x13,95 mm.
Além disso, graças aos substratos HPHT de um único sector (111) com um teor de azoto superior a 50 ppm fabricados na nossa fábrica e aos centros NV criados no laboratório de V. G. Vins (VELMAN, Novosibirsk), foi obtido em setembro de 2024 um pulso estável de lasing no diamante nos laboratórios ópticos da Universidade Estatal de Tomsk (E. I. Lipatov) e da Universidade Estatal de Instrumentação Aeroespacial de São Petersburgo (V. F. Lebedev), o que constitui um grande feito na optoelectrónica do diamante. Os resultados deste trabalho foram publicados na revista Diamond & Related Materials(2024).
Não será esta uma oportunidade para um grande avanço?
Galina Semyonova, Editora Chefe do Bureau Russo, para a Rough&Polished