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(Noticias de Nanowerk) Después de un estudio de investigación de 10 años (comunicación de la naturaleza“Síntesis sin catalizador de matrices de nanocables de silicio de menos de 5 nm con contracción de red masiva y ancho de banda ancha”), que comenzó por accidente y se encontró con escepticismo, un equipo de ingenieros mecánicos de la Universidad del Noreste logró sintetizar alta densidad, ultra-estrecho nanocables de silicio que podrían revolucionar la industria de los semiconductores.
Yung Joon Jung, profesor de ingeniería mecánica e industrial en el noreste, dice que este puede haber sido su proyecto de investigación favorito.
«Todo es nuevo y requirió mucha perseverancia», dice Jung, quien se especializa en el desarrollo y aplicación de sistemas de nanoestructuras y nanotubos de carbono estudiados previamente.
Jung y sus colaboradores, incluido otro profesor de ingeniería mecánica del noreste, Moneesh Upmanyu, lograron un gran avance en la síntesis de nanocables al descubrir una nueva forma de silicio de alta densidad y dominar un nuevo proceso de grabado escalable y sin catalizador para fabricar ultra- alambres pequeños Nanoalambres de silicio con un diámetro de dos a cinco nanómetros.
Hace unos 10 años, los estudiantes alertaron a Jung sobre un resultado inusual de un experimento que estaban realizando con obleas de silicio. El material que vio bajo un microscopio electrónico era diferente de lo que querían hacer, dice Jung.
Decidió averiguar más sobre esta sustancia y descubrió que era silicio con una nanoestructura parecida a un alambre «muy, muy pequeña», dice Jung. Pudieron reproducir el nuevo material, dice, pero cuando intentaron mejorar el proceso de síntesis, los nanocables no crecieron.
El científico y su equipo tuvieron que rebobinar y estudiar el mecanismo de síntesis y la estructura atómica y las propiedades del material desde el principio. Jung, un experimentador, decidió contratar a Upmanyu, quien usa la teoría, el modelado por computadora y la simulación para comprender los materiales y explicar los experimentos.
«Siempre necesito la ayuda de Moneesh para entender lo que está pasando», dice Jung.
Los científicos pensaron que la sustancia formada durante la síntesis de obleas de silicio podría no ser silicio en absoluto. El material tenía una estructura altamente comprimida que se reduce entre un 10 y un 20 % en comparación con el silicio normal, que normalmente no es estable en un estado tan comprimido, dice Upmanyu.
Algunos de sus colegas y revisores de investigación estuvieron de acuerdo. Dirían: «Esto no debería ser de silicio» o «Esto no debería suceder con el silicio», dice Jung.
A través del análisis computacional y el modelado, Upmanyu pudo demostrar que, a pesar de las propiedades inusuales, el nuevo material era una forma de silicio con una capa de óxido muy delgada en la parte superior, lo que probablemente ayuda a mantener la compresión, dice.
«Este material es muy prometedor», dice. «Creo que esa compresión está en el corazón de todas las características interesantes que estás viendo».
Una de las razones por las que el silicio se usa ampliamente como semiconductor en microelectrónica, como chips de computadora, circuitos integrados, transistores, diodos de silicio y pantallas de cristal líquido, es que es barato y abundante, dice Upmanyu. Según la Royal Society of Chemistry, es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno, pero no se encuentra de forma natural en su forma pura y sin combinar. Se encuentra en arena, cuarzo, pedernal, granito, mica y arcilla, entre otras piedras y minerales.
En la década de 1970, la próspera industria de chips informáticos de silicio incluso le dio al área sur de la Bahía de San Francisco un nuevo nombre, «Silicon Valley», popularizado por Don Hoefler, reportero de Electronic News Magazine.
Sin embargo, el silicio convencional no puede soportar altas temperaturas y, por lo tanto, se limita a aplicaciones de menor potencia. Tiene una banda prohibida de 1,11 electronvoltios (la banda prohibida determina la energía necesaria para que los electrones del material semiconductor conduzcan electricidad cuando son estimulados por fuentes externas).
El nuevo material tiene una brecha de banda ultraancha de 4,16 eV, un récord mundial, dice Jung. La banda prohibida ultraancha implica que el material requiere estímulos más grandes para conducir la electricidad, pero puede operar a alta potencia, alta temperatura y alta frecuencia. Según Jung, los nanocables de silicio fabricados con este nuevo material son útiles para dispositivos electrónicos de potencia, transistores, diodos y LED.
A diferencia del silicio convencional, el nuevo material es muy resistente a la oxidación. También es fotoluminiscente, capaz de emitir luz azul y violeta que puede usarse para iluminación ultravioleta y en diodos emisores de luz azul.
Jung y su equipo de investigación también han desarrollado un nuevo método para fabricar nanocables de silicio, llamado grabado con vapor químico, que elimina material en lugar de formar cristales. Esto les permite crear nanocables que son de 10 a 20 veces más pequeños que los nanocables de silicio actualmente en uso comercial.
Los métodos de síntesis de nanocables conocidos anteriormente utilizan partículas de catalizador para hacer crecer cristales de silicio.
«No se puede exagerar el aspecto sin catalizador, ya que elimina la necesidad de eliminar el catalizador después de la síntesis, lo que inevitablemente degrada las propiedades funcionales de los nanocables», dice Jung.
A veces, las partículas de catalizador se convierten en parte de la superficie del nanocable, dice, y su eliminación es casi imposible.
En este punto, los científicos pueden reproducir nanocables con longitudes controladas de hasta 100 micrómetros.
«Siento un amplio impacto en el futuro», dice Upmanyu. «Ese método de grabado de vapor químico que él [Jung] Pioneered será útil para una variedad de otros materiales… Puede pensar no solo en aplicaciones electrónicas, sino en cualquier aplicación en la que desee tener una pequeña dimensión de un material fabricado. … Es muy poderoso”.
Él dice que el nuevo material de silicio debería ser muy atractivo para la industria de los semiconductores. Se puede utilizar en radios militares, radares y en energía fotovoltaica como las células solares. Una banda prohibida de silicio normal no permite que la luz ultravioleta sea procesada y utilizada para generar electricidad, dice Upmanyu.
“Entonces, si tiene un material de banda prohibida ancha que es barato y abundante, como el silicio, ahora puede tener células solares de muy alta eficiencia”, dice.
Incluso se puede utilizar para recolectar energía solar bajo el agua. El agua absorbe el espectro rojo e infrarrojo, dice Upmanyu, por lo que las células solares que pueden recolectar luz azul y ultravioleta se vuelven cruciales.
Los nuevos nanocables de silicio pueden mejorar las baterías de iones de litio, dice Jung. Agregar algunos materiales seleccionados como fósforo o nitrógeno (una técnica llamada dopaje) puede conducir a otras propiedades interesantes y permitir otras aplicaciones, dice Upmanyu.
Él cree que se pueden manipular varios fenómenos cuánticos interesantes en estos nanocables de silicio debido a su tamaño muy pequeño, lo que hace que este material sea prometedor para el procesamiento de información cuántica y tal vez incluso para la computación cuántica, dice Upmanyu.
Varios otros institutos de ingeniería de todo el mundo han contribuido a esta investigación, incluido el Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea, el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, la Universidad de Ciencias de Tokio, la Universidad de Ciencias y Tecnología de China y el Politécnico Rensselaer. Instituto en Nueva York.
La investigación está en curso. Los científicos todavía están interesados en comprender mejor toda la química detrás del proceso y por qué la compresión de esta forma de silicio es tan estable. Quieren optimizar el proceso de grabado para crear una superficie más suave y escalarla aún más para uso industrial.
«Quieres ser capaz de entender el proceso para poder manipularlo de la manera que quieras», dice Upmanyu.
También buscarán colaboradores interesados en fabricar dispositivos con este nuevo material de silicio.
“Quieres que una nueva forma de algo que has hecho se adopte lo más ampliamente posible. Creo que la comercialización y la integración de dispositivos son clave aquí”, dice Upmanyu.
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