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(noticias nanowerk) Los semiconductores son la base de casi todos los dispositivos electrónicos. Sin semiconductores, nuestras computadoras no podrían procesar ni almacenar datos; y las bombillas LED (diodos emisores de luz) perderían su luminosidad.
Pero la producción de semiconductores requiere mucha energía. La formación de materiales semiconductores a partir de arena (óxido de silicio) utiliza una cantidad significativa de energía que consume mucho calor a temperaturas abrasadoras de aproximadamente 2700 grados Fahrenheit. Y el proceso de purificar y ensamblar todas las materias primas necesarias para fabricar un semiconductor puede llevar semanas, si no meses.
Un nuevo material semiconductor llamado “tinta multielemento” podría hacer que este proceso requiera mucho menos calor y sea más sostenible. Desarrollada por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y UC Berkeley, la “tinta multielemento” es el primer semiconductor de “alta entropía” que puede procesarse a baja temperatura o temperatura ambiente. El avance fue reportado recientemente en la revista. Naturaleza (“Monocristales de perovskita de haluro altamente entrópico estabilizados mediante química suave”).
![Imagen de obleas de silicio](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63736_1.jpg)
«La forma tradicional de fabricar dispositivos semiconductores consume mucha energía y es una fuente importante de emisiones de carbono», dijo Peidong Yang, autor principal del estudio. Yang es científico senior del Departamento de Ciencia de Materiales del Laboratorio de Berkeley y profesor de química y ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. «Nuestro nuevo método de fabricación de semiconductores podría allanar el camino hacia una industria de semiconductores más sostenible».
El avance utiliza dos familias únicas de materiales semiconductores: aleaciones duras de semiconductores de alta entropía; y un material suave y flexible hecho de perovskitas de haluro cristalino.
Los materiales altamente entrópicos son sólidos compuestos de cinco o más elementos químicos diferentes ensamblados en proporciones casi iguales para formar un solo sistema. Durante muchos años, los investigadores han querido utilizar materiales de alta entropía para desarrollar materiales semiconductores que se autoensamblen con un gasto mínimo de energía.
“Pero los semiconductores de alta entropía no se han estudiado en la misma medida. Nuestro trabajo podría ayudar a cerrar significativamente esta brecha de conocimiento”, dijo Yuxin Jiang, coprimer autor y estudiante de posgrado en el grupo Peidong Yang del Departamento de Ciencia de Materiales del Laboratorio de Berkeley y el Departamento de Química de la UC Berkeley.
![Imagen fotoluminiscente del logotipo de los California Golden Bears emitida por monocristales de cinco elementos ZrSnTeHfPt bajo excitación de una lámpara UV](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63736_4.jpg)
Aunque los materiales tradicionales de aleaciones de alta entropía requieren mucha menos energía para producirse que el silicio, aún requieren temperaturas muy altas, de más de 1000 grados Celsius (o más de 1832 grados Fahrenheit). Debido a este enorme gasto de energía, el escalado de materiales altamente entrópicos para la fabricación a escala industrial es un desafío.
Para superar este obstáculo, Yang y su equipo aprovecharon las propiedades únicas de un material solar bien estudiado que ha fascinado a los investigadores durante muchos años: las perovskitas de haluro.
Las perovskitas se procesan fácilmente a partir de una solución a bajas temperaturas, desde temperatura ambiente hasta aproximadamente 300 grados Fahrenheit. Estas temperaturas de procesamiento más bajas podrían algún día reducir drásticamente los costos de energía para los fabricantes de semiconductores.
Para el nuevo estudio, Yang y su equipo aprovecharon este menor requerimiento de energía para sintetizar monocristales de persovskita de haluro altamente entrópico a partir de una solución a temperatura ambiente o bajas temperaturas (80 grados Celsius o 176 grados Fahrenheit).
![En solución, la tinta multielemento se autoensambla en semiconductores de alta entropía o monocristales de perovskita de haluro a bajas temperaturas.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63736_2.jpg)
Debido a su naturaleza de enlace iónico, las estructuras cristalinas de perovskita de haluro requieren significativamente menos energía para formarse en comparación con otros sistemas materiales, explicó Yang.
Los experimentos en la Fuente de Luz Avanzada del Laboratorio de Berkeley confirmaron que los cristales octaédricos y cuboctaédricos resultantes son monocristales de perovskita de haluro altamente entrópico: un conjunto de cinco elementos (SnTeReIrPt o ZrSnTeHfPt) y otro conjunto de seis elementos (SnTeReOsIrPt o ZrSnTeHfRePt). Los cristales tienen aproximadamente entre 30 y 100 micrómetros de diámetro. (Un micrómetro es una milmillonésima parte de un metro, que es aproximadamente del tamaño de un grano de polvo).
La técnica de baja temperatura/temperatura ambiente produce semiconductores monocristalinos a las pocas horas de mezclar una solución y precipitarla, mucho más rápido que las técnicas tradicionales de fabricación de semiconductores.
«Intuitivamente, fabricar estos semiconductores es como apilar ‘LEGOs’ moleculares con forma octaédrica en monocristales octaédricos más grandes», dijo Yang. «Si imaginamos que cada uno de estos LEGO moleculares individuales emite en diferentes longitudes de onda, en principio podemos diseñar un material semiconductor que emita cualquier color seleccionando diferentes LEGO moleculares octaédricos», explicó. Los autores demostraron este concepto imprimiendo el logotipo de los California Golden Bears.
La estabilidad de la temperatura ambiente ha sido durante mucho tiempo una preocupación para el avance de las perovskitas de haluro comercialmente viables, pero en un experimento de mesa para el nuevo estudio, la perovskita de haluro de «tinta multielemento» de alta entropía sorprendió al equipo de investigación con una impresionante estabilidad del aire ambiente de al menos menos seis meses.
![Micrografía electrónica de barrido de monocristales con seis elementos. Los cristales se forman a partir de bloques de construcción de “tinta multielemento”, el primer semiconductor de alta entropía que puede procesarse a baja temperatura o a temperatura ambiente.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id63736_3.jpg)
Yang dijo que la tinta multielemento tiene varias aplicaciones potenciales, particularmente como LED de color ajustable u otros dispositivos de iluminación de estado sólido, o como termoeléctrico para la recuperación de calor residual. Además, el material podría servir como componente programable en un dispositivo informático óptico que utilice luz para transmitir o almacenar datos.
«Nuestros cristales semiconductores de perovskita de haluro de alta entropía se pueden incorporar a un dispositivo electrónico utilizando sus métodos de temperatura ambiente y baja temperatura sin destruir las otras capas necesarias, lo que permite un diseño de dispositivos electrónicos más simple y un uso más amplio de materiales de alta entropía en dispositivos electrónicos», dijo el co -Primera autora María Folgueras, ex estudiante de posgrado del grupo Peidong Yang en Berkeley Lab y UC Berkeley.
«Uno puede imaginar que cada uno de estos LEGO octaédricos podría transportar algún tipo de información ‘genética’, tal como los pares de bases del ADN transportan nuestra información genética», dijo Yang. «Sería bastante fascinante si algún día pudiéramos codificar y decodificar estos semiconductores moleculares LEGO para aplicaciones de ciencias de la información».
A continuación, los investigadores planean continuar desarrollando materiales semiconductores sostenibles para aplicaciones de visualización y iluminación de estado sólido.
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