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(Noticias de Nanowerk) A medida que los dispositivos electrónicos se vuelven cada vez más pequeños, los materiales que los alimentan deben volverse cada vez más delgados. Por esta razón, uno de los desafíos clave que enfrentan los científicos en el desarrollo de la próxima generación de productos electrónicos eficientes desde el punto de vista energético es descubrir materiales que puedan retener propiedades electrónicas específicas en un tamaño ultradelgado.
Los materiales avanzados conocidos como ferroeléctricos representan una solución prometedora para reducir el consumo de energía de los dispositivos electrónicos ultrapequeños en teléfonos móviles y computadoras. Los ferroeléctricos, el análogo eléctrico de los ferroimanes, son una clase de materiales en los que algunos de los átomos están dispuestos descentrados, lo que da como resultado una polarización o carga eléctrica interna espontánea. Esta polarización interna puede invertir la dirección cuando los científicos someten el material a estrés externo. Esto ofrece grandes perspectivas para la microelectrónica de potencia ultrabaja.
Desafortunadamente, los materiales ferroeléctricos convencionales pierden su polarización interna por debajo de unos pocos nanómetros de espesor. Esto significa que no son compatibles con la tecnología de silicio actual. Este problema ha impedido hasta ahora la integración de la ferroeléctrica en la microelectrónica.
Pero ahora, un equipo de investigadores de UC Berkeley que realiza experimentos en el Laboratorio Nacional de Argonne ha encontrado una solución que resuelve ambos problemas simultáneamente al producir el ferroeléctrico más delgado jamás reportado y la demostración más delgada de memoria de acceso aleatorio en silicio que se haya creado.
![Representación de un material ferroeléctrico bidimensional](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61676_1.jpg)
En un estudio publicado en la revista Ciencias («Emergent Ferroelectricity in Subnanometer Binary Oxide Films on Silicon»), el equipo de investigación descubrió ferroelectricidad estable en una capa ultrafina de zirconia de solo medio nanómetro de espesor. Ese es el tamaño de un solo bloque de construcción atómico, unas 200.000 veces más delgado que un cabello humano.
El equipo cultivó este material directamente sobre silicio. Descubrieron que la ferroelectricidad surge en la zirconia, normalmente un material no ferroeléctrico, cuando se vuelve extremadamente delgada, de aproximadamente 1 a 2 nanómetros de espesor.
Sorprendentemente, el comportamiento ferroeléctrico continúa hasta su límite de espesor casi atómico de aproximadamente medio nanómetro. Este avance fundamental marca el ferroeléctrico más delgado del mundo. Esto es sorprendente para un material que normalmente no es ferroeléctrico, incluso en su forma a granel.
Los investigadores también pudieron cambiar la polarización de un lado a otro en este material ultrafino con un pequeño voltaje, lo que permitió la demostración más fina de memoria de acceso aleatorio jamás informada sobre silicio. También ofrece importantes perspectivas para la electrónica de bajo consumo, especialmente teniendo en cuenta que la zirconia convencional ya está presente en los chips de silicio de última generación de la actualidad.
«Este trabajo es un paso importante hacia la integración de la ferroeléctrica en la microelectrónica a gran escala», dijo Suraj Cheema, becario postdoctoral en UC Berkeley y primer autor del estudio.
Visualizar el comportamiento ferroeléctrico de tales sistemas ultrafinos requirió el uso de la fuente de fotones avanzada de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. «La difracción de rayos X brinda la información necesaria sobre cómo se forma esta ferroelectricidad», dijo el físico de Argonne John Freeland, otro autor del estudio.
Más allá de las implicaciones tecnológicas inmediatas, este trabajo también tiene implicaciones significativas para el diseño de nuevos materiales bidimensionales.
«Simplemente exprimir los materiales 3D hasta su límite de espesor 2D proporciona una forma sencilla pero efectiva de desbloquear fenómenos ocultos en una variedad de materiales simples», dijo Cheema. «Esto amplía enormemente el espacio de diseño de materiales para la electrónica de próxima generación para incluir materiales que ya son compatibles con las tecnologías de silicio».
Como señaló Cheema, el simple crecimiento de unas pocas capas atómicas de un material 3D puede ofrecer el potencial para una nueva clase de materiales 2D, materiales 3D atómicamente delgados, que van más allá de las capas tradicionales de materiales 2D como el grafeno. Los investigadores esperan que este trabajo estimule más investigaciones sobre materiales bidimensionales en 3D que demuestren fenómenos electrónicos emergentes relevantes para la electrónica de bajo consumo.
Este trabajo fue dirigido por Cheema y Sayeef Salahuddin de UC Berkeley, junto con los coautores Nirmaan Shanker y Shang-Lin Hsu. En la línea de luz 33-BM-C de la fuente de fotones avanzada de Argonne, los investigadores, en colaboración con los físicos de Argonne Freeland y Zhan Zhang, utilizaron espectroscopia de absorción de rayos X de sincrotrón y difracción de rayos X para sondear la evolución estructural de la ferroelectricidad a escala atómica y explorar orígenes electrónicos. En la Fuente de Luz Avanzada y Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, se estudió la estructura cristalina ferroeléctrica del material utilizando rayos X suaves y microscopía electrónica de transmisión en colaboración con los científicos Padraic Shafer y Jim Ciston.
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