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(noticias nanowerk) A medida que los chips de computadora basados en silicio alcanzan sus límites físicos en la búsqueda de diseños más rápidos y más pequeños, encontrar materiales alternativos que sigan siendo funcionales a nivel atómico es uno de los mayores desafíos de la ciencia. En un desarrollo innovador, los investigadores del Clúster de Excelencia ct.qmat de Würzburg-Dresden han desarrollado una película protectora que protege las capas de semiconductores cuánticos de solo un átomo de espesor de las influencias ambientales sin afectar sus revolucionarias propiedades cuánticas. Esto pone al alcance de la realidad el uso de estas sensibles capas atómicas en componentes electrónicos ultrafinos.
Materiales cuánticos 2D en lugar de silicio
La carrera por desarrollar chips de computadora cada vez más rápidos y potentes continúa a medida que los transistores, sus componentes básicos, se reducen a tamaños cada vez más pequeños y compactos. Dentro de unos años, estos transistores tendrán sólo un tamaño de unos pocos átomos; entonces la miniaturización de la tecnología del silicio utilizada actualmente habrá alcanzado sus límites físicos. Por tanto, la búsqueda de materiales alternativos con propiedades completamente nuevas es crucial para futuros avances tecnológicos.
Ya en 2021, los científicos del grupo de excelencia ct.qmat – Complejidad y topología en materia cuántica de las universidades JMU Würzburg y TU Dresden hicieron un descubrimiento significativo: materiales cuánticos topológicos como el indeneno, que son prometedores para una electrónica ultrarrápida y energéticamente eficiente. . Los semiconductores cuánticos resultantes, extremadamente delgados, constan de una sola capa de átomos (en el caso de los indenos, átomos de indio) y actúan como aislantes topológicos que conducen la corriente casi sin resistencia en sus bordes.
“Producir una capa atómica única requiere equipos de vacío sofisticados y un material de sustrato especial. Para utilizar este material bidimensional en componentes electrónicos, sería necesario retirarlo del entorno de vacío. Sin embargo, la exposición al aire, aunque sea por poco tiempo, provoca oxidación, lo que destruye sus propiedades revolucionarias y las vuelve inutilizables”, explica el físico experimental profesor Ralph Claessen, portavoz de ct.qmat en Würzburg.
El equipo de ct.qmat Würzburg ha conseguido solucionar este problema. Sus resultados fueron publicados en la revista científica. comunicación de la naturaleza (“Lograr la estabilidad ambiental en un aislante Hall de espín cuántico atómicamente delgado utilizando un dispositivo de intercalación de grafeno”).
Buscando una capa protectora
“Pasamos dos años buscando un método para proteger la delicada capa de indeno de las influencias ambientales mediante una capa protectora. El desafío era garantizar que este recubrimiento no interactuara con la capa de indeno”, explica Cedric Schmitt, uno de los estudiantes de doctorado de Claessen que participó en el proyecto.
Esta interacción es problemática porque cuando se juntan diferentes tipos de átomos, por ejemplo de la capa protectora y del semiconductor, reaccionan químicamente a nivel atómico y cambian el material. En el caso de los chips de silicio convencionales, esto no supone ningún problema, ya que están formados por varias capas atómicas, de modo que suficientes capas no se ven afectadas y, por tanto, siguen siendo funcionales.
“Un material semiconductor formado por una sola capa de átomos, como el indeno, normalmente se vería afectado por una película protectora. Esto supuso un desafío aparentemente insuperable que despertó nuestra curiosidad investigadora”, afirma Claessen.
La búsqueda de una capa protectora viable los llevó a investigar los materiales de van der Waals, que llevan el nombre del físico holandés Johannes Diderik van der Waals (1837-1923).
Claessen explica: “Estas capas atómicas bidimensionales de Van der Waals se caracterizan por fuertes enlaces internos entre sus átomos, mientras que solo se unen débilmente al sustrato. Este concepto es similar a la forma en que las minas de lápiz hechas de grafito (una forma de carbono con átomos dispuestos en capas alveolares) escriben en papel. Las capas de grafeno se pueden separar fácilmente. Nuestro objetivo era reproducir esta propiedad”.
¡Éxito!
Utilizando sofisticados equipos de vacío ultraalto, el equipo de Würzburg experimentó calentando carburo de silicio (SiC) como sustrato para el indeno y así investigó las condiciones necesarias para formar grafeno a partir de él.
“El carburo de silicio está formado por átomos de silicio y carbono. Cuando se calientan, los átomos de carbono se desprenden de la superficie y forman grafeno”, explica Schmitt el proceso de laboratorio. “Luego depositamos con vapor átomos de indio sumergidos entre la capa protectora de grafeno y el sustrato de carburo de silicio. Así se creó la capa protectora para nuestro material cuántico bidimensional, el indeneno”.
paraguas desplegado
Por primera vez en el mundo, Claessen y su equipo en la planta ct.qmat de Würzburg lograron producir una capa protectora funcional para un material semiconductor cuántico bidimensional sin afectar sus extraordinarias propiedades cuánticas. Tras analizar el proceso de fabricación, probaron exhaustivamente el efecto protector de la capa frente a la oxidación y la corrosión.
«¡Funciona! La muestra se puede exponer incluso al agua sin que se produzcan efectos adversos», dice alegremente Claessen. «La capa de grafeno actúa como un paraguas para nuestro indeneno».
Hacia la electrónica de la capa atómica
Este avance allana el camino para aplicaciones que involucran capas atómicas semiconductoras altamente sensibles. La fabricación de componentes electrónicos ultrafinos requiere procesarlos en aire u otros entornos químicos. Esto fue posible gracias al descubrimiento de este mecanismo de protección.
El equipo de Würzburg se concentra ahora en identificar otros materiales de Van der Waals que puedan servir como capas protectoras y ya tiene algunas perspectivas en mente. El problema es que, a pesar de proteger eficazmente las monocapas atómicas de las influencias ambientales, el grafeno plantea el riesgo de cortocircuitos debido a su conductividad eléctrica. Los científicos de Würzburg trabajan para superar estos desafíos y crear las condiciones para la electrónica de capas atómicas del mañana.
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