Vista de la superficie superior del modelo de computadora en 3D (izquierda) y la imagen de microscopía de fuerza atómica (derecha) de la nueva película realizada por científicos de la Universidad de Tokio. La estructura bien organizada de las moléculas es visible tanto en el modelo de computadora 3D como en la imagen del microscopio como un patrón en espiga o en forma de cruz. Las diferencias de color en la imagen de microscopía son el resultado de las diferentes longitudes de las colas de las moléculas; las diferencias de longitud provocan la frustración geométrica que impide que las capas se apilen. pm =picómetros, nm =nanómetros Crédito:Shunto Arai y Tatsuo Hasegawa
Investigadores japoneses han desarrollado un nuevo método para construir grandes áreas de material semiconductor que tiene solo dos moléculas de espesor y un total de 4.4 nanómetros de alto. Las películas funcionan como transistores de película delgada, y tienen posibles aplicaciones futuras en electrónica flexible o detectores químicos. Estos transistores de película fina son el primer ejemplo de bicapas moleculares individuales semiconductoras creadas con procesamiento de solución líquida. un proceso de fabricación estándar que minimiza los costes.
"Queremos dar a los dispositivos electrónicos las características de las membranas celulares reales:flexibles, fuerte, sensible, y super delgado. Encontramos una forma novedosa de diseñar bicapas moleculares individuales semiconductoras que nos permite fabricar grandes áreas de superficie, hasta 100 centímetros cuadrados (39 pulgadas cuadradas). Pueden funcionar como transistores de película fina de alto rendimiento y podrían tener muchas aplicaciones en el futuro. "dijo el profesor asistente Shunto Arai, el primer autor de la reciente publicación de investigación.
El profesor Tatsuo Hasegawa del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Tokio dirigió el equipo que construyó la nueva película. El gran avance responsable de su éxito es un concepto llamado frustración geométrica, que utiliza una forma molecular que dificulta que las moléculas se asienten en múltiples capas una encima de la otra.
La película es transparente pero las fuerzas de atracción y repulsión entre las moléculas crean una estructura organizada, patrón repetido en espiga cuando la película se ve desde arriba a través de un microscopio. La estructura molecular general de la bicapa es muy estable. Los investigadores creen que debería ser posible construir la misma estructura a partir de diferentes moléculas con diferentes funcionalidades.
Representación artística de moléculas geométricamente frustradas. Las moléculas están alineadas cara a cara (porciones amarillas) con sus colas apuntando en direcciones opuestas (porciones grises) de modo que las moléculas formen una línea vertical. Las diferentes longitudes de la cola evitan que capas adicionales de moléculas se acumulen en la parte superior. Los transistores de película delgada hechos de bicapas moleculares simples tendrán un mejor rendimiento del dispositivo que las películas que son irregulares o de mayor espesor. Crédito:Universidad de Tokio
Las moléculas individuales utilizadas en la película actual se dividen en dos regiones:una cabeza y una cola. La cabeza de una molécula se apila una encima de otra, con sus colas apuntando en direcciones opuestas para que las moléculas formen una línea vertical. Estas dos moléculas están rodeadas por pares idénticos de moléculas de cabeza a cabeza, que todos juntos forman un sándwich llamado bicapa molecular.
Los investigadores descubrieron que podían evitar que se apilaran bicapas adicionales en la parte superior construyendo la bicapa a partir de moléculas con colas de diferentes longitudes. por lo que las superficies de la bicapa son rugosas y, naturalmente, desalientan el apilamiento. Este efecto de diferentes longitudes se conoce como frustración geométrica.
Los métodos estándar para crear bicapas moleculares semiconductoras no pueden controlar el espesor sin causar grietas o una superficie irregular. La frustración geométrica de las colas de diferentes longitudes ha permitido a los investigadores evitar estos escollos y construir un cuadrado de 10 cm por 10 cm (3,9 pulgadas por 3,9 pulgadas) de su película utilizando el método industrial común de procesamiento de soluciones.
Representación artística del proceso de solución de recubrimiento de cuchillas para producir transistores de película delgada de una sola capa molecular. Las moléculas de líquido se esparcen mediante una cuchilla sobre la superficie de producción a temperatura ambiente y presión de aire estándar en una técnica llamada procesamiento de solución. A medida que el líquido se seca, las fuerzas intermoleculares hacen que las moléculas se organicen automáticamente en bicapas simples geométricamente frustradas de solo 4,4 nanómetros de espesor. Crédito:Shunto Arai y Tatsuo Hasegawa
Las propiedades semiconductoras de la bicapa pueden dar a las películas aplicaciones en electrónica flexible o detección química.
Los semiconductores pueden cambiar entre estados que permiten que la electricidad fluya (conductores) y estados que impiden que la electricidad fluya (aislantes). Este encendido y apagado es lo que permite a los transistores cambiar rápidamente las imágenes mostradas, como una imagen en una pantalla LCD. La bicapa molecular única creada por el equipo de UTokyo es mucho más rápida que los transistores de película delgada de silicio amorfo, un tipo común de semiconductor que se utiliza actualmente en electrónica.
