Development of a "Clamshell" cavity and niobium substrate holder to optimize the growth of single crystal CVD diamond via microwave MWPACVD technique.

• Grant number: 24/03160-3
• Support Opportunities: Scholarships in Brazil - Innovative Research in Small Business - PIPE
• Start date: March 01, 2024
• End date: January 31, 2026
• Field of knowledge: Engineering - Materials and Metallurgical Engineering - Nonmetallic Materials
• Principal Investigator: Javier Sierra Gómez
• Grantee: Javier Sierra Gómez
• Company: TCarbon Diamond Ind Ltda
• CNAE: Fabricação de máquinas-ferramenta ; Lapidação de gemas e fabricação de artefatos de ourivesaria e joalheria ; Pesquisa e desenvolvimento experimental em ciências físicas e naturais
• Associated research grant: 23/11742-0 - Development of a "Clamshell" cavity and niobium substrate holder to optimize the growth of single crystal CVD diamond via microwave MWPACVD technique, AP.PIPE

Abstract

Este projeto de pesquisa visa desenvolver um novo processo de produção em escala pré-industrial para diamantes monocristalinos cultivados em laboratório, através da técnica de Deposição Química em Fase de Vapor (CVD), o que caracteriza elevar o nível de maturidade tecnológica de TRL 5 - atual estágio de desenvolvimento do processo, para o nível TRL 7 - que define a construção e operação de uma planta piloto em ambiente operacional relevante. A iniciativa é pioneira no Hemisfério Sul e tem o potencial de inserir uma tecnologia disruptiva no mercado global. O contexto e a justificativa do projeto estão ancorados na crescente demanda por diamantes cultivados em laboratório, impulsionada por aplicações como joias, mas especialmente em decorrência da necessidade de avanços tecnológicos para aplicações futuras do uso do diamante-CVD em dispositivos semicondutores, óptica e dissipadores de alto desempenho, baterias nucleares e computação quântica. Os objetivos do projeto incluem simulação computacional, projeto e fabricação da câmara com uma cavidade para propagação ressonante de microondas em 2,45 GHz, formato "Clamshell", e demais dispositivos de suporte; e, a realização de ensaios de crescimento de diamante-CVD na planta piloto com foco no desenvolvimento e otimização de parâmetros de processo, tais como pressão interna na câmara, temperatura nos substratos, densidade de plasma e composição dos gases. O método de desenvolvimento envolve uma série de etapas, desde a pesquisa bibliográfica até a análise e caracterização dos resultados dos ensaios de crescimento de diamante-CVD através de técnicas avançadas de caracterização de materiais. O projeto inclui a compra de equipamentos e insumos, bem como a construção e testes da planta piloto. O orçamento total do projeto é de cerca de R$1,5 milhões, com uma contrapartida da empresa de R$350 mil e de um investidor anjo. Os resultados esperados incluem a produção de protótipos funcionais tanto da cavidade ressonante quanto do diamante-CVD cultivado com centros de cores a nível atômico (gemas) de alta qualidade, o desenvolvimento de uma tecnologia pioneira via MWPACVD (Microwave Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) e a inserção da empresa no mercado de diamantes cultivados em laboratório, com a possibilidade de competir com grandes players, como ABD Diamonds, Clean Origin, Element Six (De Beers Group) e Diamond Foundry Inc. O projeto permite que a empresa se consolide como líder no mercado de diamantes cultivados em laboratório no Hemisfério Sul e dê garantias de uso do diamante-CVD monocristal como material base para estudos avançados nas áreas portadoras de futuro, como baterias nucleares, dispositivos semicondutores, computação quântica, dissipadores de calor de alto desempenho entre outros.