La gran mayoría de los dispositivos informáticos actuales están hechos de silicio, el segundo elemento más abundante en la Tierra, después del oxígeno. El silicio se puede encontrar en varias formas en las rocas, arcilla, arena, y suelo. Y si bien no es el mejor material semiconductor que existe en el planeta, es, con mucho, el más disponible. Como tal, el silicio es el material dominante utilizado en la mayoría de los dispositivos electrónicos, incluyendo sensores, células solares, y los circuitos integrados dentro de nuestras computadoras y teléfonos inteligentes.

Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado una técnica para fabricar películas semiconductoras ultrafinas hechas de una gran cantidad de materiales exóticos distintos del silicio. Para demostrar su técnica, los investigadores fabricaron películas flexibles hechas de arseniuro de galio, nitruro de galio, y fluoruro de litio:materiales que presentan un mejor rendimiento que el silicio pero que hasta ahora han sido prohibitivamente caros de producir en dispositivos funcionales.

La nueva técnica, los investigadores dicen, proporciona un método rentable para fabricar componentes electrónicos flexibles hechos de cualquier combinación de elementos semiconductores, que podría funcionar mejor que los dispositivos actuales basados ​​en silicio.

"Hemos abierto una forma de hacer electrónica flexible con tantos sistemas de materiales diferentes, que no sea silicio, "dice Jeehwan Kim, Profesor Asociado de Desarrollo de Carrera de la promoción de 1947 en los departamentos de Ingeniería Mecánica y Ciencia e Ingeniería de Materiales. Kim prevé que la técnica se puede utilizar para fabricar de bajo costo, dispositivos de alto rendimiento como células solares flexibles, y sensores y computadoras portátiles.

Los detalles de la nueva técnica se informan hoy en Materiales de la naturaleza . Además de Kim, Los coautores del MIT del artículo incluyen a Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Richard Molnar, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Yang Shao-Horn, y Jeffrey Grossman, junto con investigadores de la Universidad Sun Yat-Sen, la Universidad de Virginia, la Universidad de Texas en Dallas, el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU., Universidad del Estado de Ohio, y Georgia Tech.

Ahora lo ves, ahora tu no

En 2017, Kim y sus colegas idearon un método para producir "copias" de costosos materiales semiconductores utilizando grafeno, una hoja atómicamente delgada de átomos de carbono dispuestos en forma hexagonal, patrón de alambre de gallinero. Descubrieron que cuando apilaban grafeno sobre un puro, cara oblea de material semiconductor como arseniuro de galio, luego fluyeron átomos de galio y arseniuro sobre la pila, los átomos parecían interactuar de alguna manera con la capa atómica subyacente, como si el grafeno intermedio fuera invisible o transparente. Como resultado, los átomos ensamblados en el preciso, patrón monocristalino de la oblea semiconductora subyacente, formando una copia exacta que luego podría desprenderse fácilmente de la capa de grafeno.

La técnica, que ellos llaman "epitaxia remota, "proporcionó una forma asequible de fabricar varias películas de arseniuro de galio, usando solo una costosa oblea subyacente.

Poco después de que informaron sus primeros resultados, el equipo se preguntó si su técnica podría usarse para copiar otros materiales semiconductores. Intentaron aplicar epitaxia remota al silicio, y también germanio, dos semiconductores económicos, pero descubrieron que cuando estos átomos fluían sobre el grafeno no lograban interactuar con sus respectivas capas subyacentes. Era como si el grafeno, previamente transparente, se volvió repentinamente opaco, impidiendo que los átomos de silicio y germanio "vean" los átomos del otro lado.

Como sucede, El silicio y el germanio son dos elementos que existen dentro del mismo grupo de la tabla periódica de elementos. Específicamente, los dos elementos pertenecen al grupo cuatro, una clase de materiales que son iónicamente neutros, lo que significa que no tienen polaridad.

"Esto nos dio una pista, "dice Kim.

Quizás, el equipo razonó, Los átomos solo pueden interactuar entre sí a través del grafeno si tienen alguna carga iónica. Por ejemplo, en el caso del arseniuro de galio, el galio tiene una carga negativa en la interfaz, en comparación con la carga positiva del arsénico. Esta diferencia de carga, o polaridad, puede haber ayudado a los átomos a interactuar a través del grafeno como si fuera transparente, y copiar el patrón atómico subyacente.

"Descubrimos que la interacción a través del grafeno está determinada por la polaridad de los átomos. Para los materiales con enlaces iónicos más fuertes, interactúan incluso a través de tres capas de grafeno, "Dice Kim." Es similar a la forma en que dos imanes pueden atraer, incluso a través de una fina hoja de papel ".

Los opuestos se atraen

Los investigadores probaron su hipótesis utilizando epitaxia remota para copiar materiales semiconductores con varios grados de polaridad. de silicio neutro y germanio, a arseniuro de galio ligeramente polarizado, y finalmente, fluoruro de litio altamente polarizado:una mejor, semiconductor más caro que el silicio.

Descubrieron que cuanto mayor era el grado de polaridad, cuanto más fuerte sea la interacción atómica, incluso, en algunos casos, a través de múltiples hojas de grafeno. Cada película que pudieron producir era flexible y tenía un grosor de solo decenas a cientos de nanómetros.

El material a través del cual interactúan los átomos también es importante, el equipo encontró. Además del grafeno, experimentaron con una capa intermedia de nitruro de boro hexagonal (hBN), un material que se asemeja al patrón atómico del grafeno y tiene una calidad similar al teflón, permitiendo que los materiales superpuestos se despeguen fácilmente una vez copiados.

Sin embargo, hBN está hecho de átomos de boro y nitrógeno cargados de manera opuesta, que generan una polaridad dentro del propio material. En sus experimentos, los investigadores encontraron que cualquier átomo que fluye sobre hBN, incluso si ellos mismos estuvieran muy polarizados, fueron incapaces de interactuar con sus obleas subyacentes por completo, lo que sugiere que la polaridad tanto de los átomos de interés como del material intermedio determina si los átomos interactuarán y formarán una copia de la oblea semiconductora original.

"Ahora entendemos realmente que existen reglas de interacción atómica a través del grafeno, "Dice Kim.

Con este nuevo entendimiento, él dice, los investigadores ahora pueden simplemente mirar la tabla periódica y elegir dos elementos de carga opuesta. Una vez que adquieren o fabrican una oblea principal hecha de los mismos elementos, luego pueden aplicar las técnicas de epitaxia remota del equipo para fabricar múltiples, copias exactas de la oblea original.

"La gente ha utilizado principalmente obleas de silicio porque son baratas, "Dice Kim." Ahora nuestro método abre una forma de utilizar materiales sin silicona. Puede comprar una oblea cara y copiarla una y otra vez, y sigue reutilizando la oblea. Y ahora la biblioteca de materiales para esta técnica está totalmente ampliada ".

Kim prevé que la epitaxia remota ahora se puede utilizar para fabricar ultradelgados, películas flexibles de una amplia variedad de películas previamente exóticas, Materiales semiconductores, siempre que los materiales estén hechos de átomos con cierto grado de polaridad. Estas películas ultradelgadas podrían potencialmente apilarse, Uno encima del otro, para producir minúsculo, flexible, dispositivos multifuncionales, como sensores portátiles, células solares flexibles, e incluso en el futuro distante, "teléfonos móviles que se adhieren a la piel".

"En las ciudades inteligentes, donde podríamos querer colocar pequeñas computadoras en todas partes, necesitaríamos poca potencia, dispositivos informáticos y de detección de alta sensibilidad, hecho de mejores materiales, ", Dice Kim." Este [estudio] abre el camino a esos dispositivos ".