La gran mayoría de los dispositivos informáticos actuales están hechos de silicio, el segundo elemento más abundante en la Tierra, después del oxígeno. El silicio se puede encontrar en varias formas en rocas, arcilla, arena y tierra. Y si bien no es el mejor semiconductorEl material que existe en el planeta es, con mucho, el más fácilmente disponible. Como tal, el silicio es el material dominante utilizado en la mayoría de los dispositivos electrónicos, incluidos los sensores, las células solares y los circuitos integrados dentro de nuestras computadoras y teléfonos inteligentes.
Ahora los ingenieros del MIT han desarrollado una técnica para fabricar películas semiconductoras ultrafinas hechas de una gran cantidad de materiales exóticos distintos del silicio. Para demostrar su técnica, los investigadores fabricaron películas flexibles hechas de arseniuro de galio, nitruro de galio y fluoruro de litio, materiales queexhiben un mejor rendimiento que el silicio pero hasta ahora han sido prohibitivamente costosos de producir en dispositivos funcionales.
La nueva técnica, dicen los investigadores, proporciona un método rentable para fabricar electrónica flexible hecha de cualquier combinación de elementos semiconductores, que podría funcionar mejor que los dispositivos basados en silicio actuales.
"Hemos abierto una manera de hacer electrónica flexible con tantos sistemas de materiales diferentes, que no sean silicio", dice Jeehwan Kim, Profesor Asociado de Desarrollo de Carrera de la Clase de 1947 en los departamentos de Ingeniería Mecánica y Ciencia e Ingeniería de Materiales.Kim imagina que la técnica se puede utilizar para fabricar dispositivos de bajo costo y alto rendimiento, como células solares flexibles y computadoras y sensores portátiles.
Los detalles de la nueva técnica se informan hoy en Materiales de la naturaleza . Además de Kim, los coautores del MIT incluyen Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Richard Molnar, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Yang Shao-Horn y Jeffrey Grossman, junto con investigadores de la Universidad Sun Yat-Sen, la Universidad de Virginia, la Universidad de Texas en Dallas, el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU., La Universidad Estatal de Ohio y Georgia Tech.
Ahora lo ves, ahora no lo ves
En 2017, Kim y sus colegas idearon un método para producir "copias" de costosos materiales semiconductores utilizando grafeno, una lámina atómicamente delgada de átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal de alambre de gallina. Descubrieron que cuando apilaban grafeno enEn la parte superior de una oblea pura y costosa de material semiconductor como el arseniuro de galio, luego fluyeron átomos de galio y arseniuro sobre la pila, los átomos parecían interactuar de alguna manera con la capa atómica subyacente, como si el grafeno intermedio fuera invisible o transparente.Como resultado, los átomos se ensamblaron en el patrón preciso y monocristalino de la oblea semiconductora subyacente, formando una copia exacta que luego podría despegarse fácilmente de la capa de grafeno.
La técnica, que ellos llaman "epitaxia remota", proporcionó una forma asequible de fabricar múltiples películas de arseniuro de galio, utilizando solo una costosa oblea subyacente.
Poco después de que informaron sus primeros resultados, el equipo se preguntó si su técnica podría usarse para copiar otros materiales semiconductores. Intentaron aplicar epitaxia remota al silicio, y también germanio, dos semiconductores económicos, pero descubrieron que cuando fluían estosátomos sobre grafeno no pudieron interactuar con sus respectivas capas subyacentes. Era como si el grafeno, previamente transparente, se volviera repentinamente opaco, evitando que los átomos de silicio y germanio "vieran" los átomos del otro lado
Como sucede, el silicio y el germanio son dos elementos que existen dentro del mismo grupo de la tabla periódica de elementos. Específicamente, los dos elementos pertenecen al grupo cuatro, una clase de materiales que son iónicamente neutros, lo que significa que no tienen polaridad.
"Esto nos dio una pista", dice Kim.
Quizás, razonó el equipo, los átomos solo pueden interactuar entre sí a través del grafeno si tienen alguna carga iónica. Por ejemplo, en el caso del arseniuro de galio, el galio tiene una carga negativa en la interfaz, en comparación con la carga positiva del arsénico.La diferencia de carga, o polaridad, puede haber ayudado a los átomos a interactuar a través del grafeno como si fuera transparente, y a copiar el patrón atómico subyacente.
"Descubrimos que la interacción a través del grafeno está determinada por la polaridad de los átomos. Para los materiales unidos iónicamente más fuertes, interactúan incluso a través de tres capas de grafeno", dice Kim. "Es similar a la forma en que dos imanes pueden atraer,incluso a través de una delgada hoja de papel "
Los opuestos se atraen
Los investigadores probaron su hipótesis mediante el uso de epitaxia remota para copiar materiales semiconductores con diversos grados de polaridad, desde silicio neutro y germanio hasta arseniuro de galio ligeramente polarizado y, finalmente, fluoruro de litio altamente polarizado, un semiconductor mejor y más costoso que el silicio.
Descubrieron que cuanto mayor era el grado de polaridad, más fuerte era la interacción atómica, incluso, en algunos casos, a través de múltiples láminas de grafeno. Cada película que podían producir era flexible y tenía decenas a cientos de nanómetros de grosor.
El material a través del cual los átomos interactúan también es importante, descubrió el equipo. Además del grafeno, experimentaron con una capa intermedia de nitruro de boro hexagonal hBN, un material que se asemeja al patrón atómico del grafeno y tiene una calidad similar al teflón., permitiendo que los materiales superpuestos se despeguen fácilmente una vez que se copian.
Sin embargo, hBN está hecho de átomos de boro y nitrógeno con carga opuesta, que generan una polaridad dentro del material en sí. En sus experimentos, los investigadores encontraron que cualquier átomo que fluye sobre hBN, incluso si estaban muy polarizados, no podían interactuarcon sus obleas subyacentes por completo, lo que sugiere que la polaridad de los átomos de interés y del material intermedio determina si los átomos interactuarán y formarán una copia de la oblea semiconductora original.
"Ahora realmente entendemos que hay reglas de interacción atómica a través del grafeno", dice Kim.
Con esta nueva comprensión, dice, los investigadores ahora pueden simplemente mirar la tabla periódica y elegir dos elementos de carga opuesta. Una vez que adquieren o fabrican una oblea principal hecha de los mismos elementos, pueden aplicar las técnicas remotas de epitaxia del equipopara fabricar copias múltiples y exactas de la oblea original.
"La gente ha usado principalmente obleas de silicio porque son baratas", dice Kim. "Ahora nuestro método abre una manera de usar materiales sin silicio de mayor rendimiento. Simplemente puede comprar una oblea costosa y copiarla una y otra vez, y siga reutilizando la oblea. Y ahora la biblioteca de materiales para esta técnica está totalmente ampliada ".
Kim imagina que la epitaxia remota ahora se puede utilizar para fabricar películas ultrafinas y flexibles a partir de una amplia variedad de materiales semiconductores previamente exóticos, siempre que los materiales estén hechos de átomos con cierto grado de polaridad. Tales películas ultrafinas podrían ser potencialmenteapilados, uno encima del otro, para producir dispositivos pequeños, flexibles y multifuncionales, como sensores portátiles, células solares flexibles e incluso, en un futuro lejano, "teléfonos celulares que se adhieren a la piel".
"En ciudades inteligentes, donde podríamos querer colocar computadoras pequeñas en todas partes, necesitaríamos dispositivos informáticos y de detección altamente sensibles y de baja potencia, hechos de mejores materiales", dice Kim. "Este [estudio] abre el camino a esos dispositivos"
Esta investigación fue apoyada en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, el Departamento de Energía, el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, LG Electronics, Amore Pacific, LAM Research y dispositivos analógicos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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