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(Noticias de Nanowerk) Aunque la nanotecnología y la ciencia de los materiales son temas complicados para la mayoría de nosotros, la investigación en estos campos es de gran importancia para casi todos. Por ejemplo, sus dispositivos digitales dependen completamente de él.
Hoy en día, toda la microelectrónica depende de los semiconductores. Estos son materiales que no conducen muy bien la electricidad. Pero se les pueden administrar pequeñas cantidades de otras sustancias, un proceso conocido como dopaje. Esto mejora el rendimiento de los semiconductores, por lo que no son tan malos después de todo.
«En el pasado, hemos dopado semiconductores y hemos visto que esto cambió drásticamente las propiedades eléctricas del material», dice el estudiante de doctorado Kasper Aas Hunnestad del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de NTNU.
Eso está muy bien. Agradable cuando algo funciona. Pero aparte del hecho de que funciona, no siempre hemos entendido muy bien por qué funciona. Esto es especialmente cierto a nivel atómico.
“Ahora sabemos mucho mejor cómo obtener imágenes de cada átomo agregado, que solía ser difícil de encontrar. Esto nos brinda nuevos conocimientos y nos permite comprender cómo afectan las propiedades de este material”, dice Hunnestad.
Por qué «saber por qué» también es importante
¿Y qué? ¿Por qué diablos deberíamos preocuparnos por los átomos individuales y por qué algo funciona? ¿No es lo suficientemente bueno saber que funciona? Si ese fuera el caso, los físicos y los químicos sin duda disfrutarían de la investigación, pero el resto de nosotros no nos beneficiaríamos mucho de ella.
«Solo cuando sabes más sobre cómo funciona algo puedes manipular y optimizar el material», dice Dennis Meier. Es profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de NTNU y dirigió el proyecto.
De esta manera se puede, por ejemplo, producir materiales más eficientes, más ecológicos o más económicos para el trabajo a realizar. O puede asignar nuevas propiedades con mucha más precisión a un material que ya está disponible para usted. Esto también es clave para el desarrollo de futuros materiales para tecnologías sostenibles.
“A menudo queremos dotar a los materiales de nuevas funciones. Para hacer esto, necesitamos saber exactamente qué papel juega cada átomo individual”, dice Meier.
Los métodos de imagen avanzados hacen posible
Hunnestad y sus colegas presentan los resultados de muchas, muchas horas de trabajo con «tomografía de sonda atómica» (APT) en un artículo reciente en comunicación de la naturaleza («Imágenes en 3D de átomos dopantes individuales en un semiconductor de óxido a nivel atómico»).
![Ilustración de análisis de tomografía de sonda atómica](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61597_1.jpg)
APT es un dispositivo de última generación adquirido por NTNU hace varios años. La máquina puede proporcionar una representación tridimensional de la apariencia de un material hasta el nivel atómico, explica Constantinos Hatzoglou. Es ingeniero senior en el laboratorio APT en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
Hunnestad y sus colegas utilizaron esta extraordinaria capacidad para estudiar un nuevo tipo de semiconductores basados en óxido a los que se añadieron cantidades muy pequeñas de una sustancia para adaptar sus propiedades.
«Las técnicas de microscopía convencionales no nos permitieron observar cómo se organizan pequeñas cantidades de aditivos en los semiconductores», dice Hunnestad. Los nuevos resultados muestran que invertir en los mejores equipos técnicos, como esta máquina APT, vale la pena enormemente y permite una investigación innovadora.
Muestra el enorme potencial
La investigación con APT tampoco es tan fácil. Pero al reunir a colegas de diferentes antecedentes experimentales y teóricos, junto con un trabajo arduo e inspirado, el equipo de NTNU encontró soluciones.
«No es solo un logro maravilloso. También muestra el enorme potencial de la técnica APT para áreas de investigación donde no se ha aplicado antes. Muestra las posibilidades únicas que tenemos gracias a la moderna infraestructura en el NanoLab y el TEM Gemini Center de NTNU”, dice Meier.
Hunnestad ha estado trabajando con APT durante unos tres años. Ha realizado extensas mediciones de microscopía correlacionada, asistido por Antonius van Helvoort y Per Erik Vullum. Van Helvoord es profesor en el Departamento de Física de NTNU y experto en microscopía electrónica de alta resolución, mientras que Vullum es profesor II en el Departamento de Física de NTNU e investigador principal en SINTEF Industry.
Hunnestad y Meier están entusiasmados con todas las posibilidades fascinantes que ya han surgido de su investigación basada en APT y las nuevas perspectivas para la caracterización de materiales funcionales a nivel atómico.
Imagen de átomos de titanio individuales mezclados en un semiconductor
En su artículo más reciente, el grupo de investigación se ocupó del semiconductor basado en óxido Er(Mn,Ti)O3. Sus colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en los EE. UU. agregaron pequeñas cantidades del elemento titanio (Ti) al manganato de erbio (ErMnO).3).
«Con la sonda atómica, podemos mostrar en tres dimensiones cómo se colocan los átomos de titanio en el semiconductor», dice Meier. «Esto nos permite vincular las nuevas propiedades eléctricas del material hasta los átomos individuales».
dr. Muhammad Zeeshan Khalid es miembro del equipo dirigido por Sverre Selbach, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la NTNU. Complementó los experimentos con cálculos. Estos cálculos proporcionan una mayor comprensión de los efectos que los átomos individuales pueden tener sobre las propiedades físicas.
Uno de los beneficios de lo que han hecho los investigadores es que también pueden aplicar el método a muchas otras sustancias. No se limita solo a las sustancias con las que ha estado experimentando el equipo de investigación de NTNU.
“Los métodos y resultados son de amplio interés. Pueden aumentar nuestra comprensión de los semiconductores basados en óxido y los materiales funcionales en general. La investigación abre puertas completamente nuevas”, dice Meier. El enfoque colaborativo fortalece la investigación
Muchas personas de diferentes departamentos de NTNU han contribuido a hacer posible este avance científico. SINTEF, el Consejo de Investigación de Noruega, la Instalación Noruega de Micro y Nanofabricación (NorFab), el Laboratorio Noruego de Caracterización de Minerales y Materiales (MiMaC), el Centro Noruego de Microscopía Electrónica de Transmisión (NORTEM) y NTNU Nano apoyaron el trabajo.
Los investigadores enfatizan que este esfuerzo colaborativo demuestra bien el poder de la investigación interdisciplinaria. Muestra lo que se puede lograr con una infraestructura sólida de vanguardia.
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