La misma carga electrostática que puede poner los pelos de punta y adherir globos a la ropa podría ser una forma eficiente de impulsar los dispositivos de memoria electrónicos atómicamente delgados del futuro. según un nuevo estudio dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab).

En un estudio publicado hoy en la revista Naturaleza , Los científicos han encontrado una manera de cambiar reversiblemente la estructura atómica de un material 2-D inyectando, o "dopaje, "Con electrones. El proceso utiliza mucha menos energía que los métodos actuales para cambiar la configuración de la estructura de un material".

"Mostramos, por primera vez, que es posible inyectar electrones para impulsar cambios de fase estructural en los materiales, "dijo el investigador principal del estudio, Xiang Zhang, científico principal de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor en UC Berkeley. "Al agregar electrones a un material, la energía general aumenta y se inclina hacia la balanza, resultando en la estructura atómica reorganizándose a un nuevo patrón que es más estable. Tales transiciones de fase estructural impulsadas por el dopaje electrónico en el límite 2-D no solo son importantes en la física fundamental; también abre la puerta a nuevas memorias electrónicas y conmutación de bajo consumo en la próxima generación de dispositivos ultradelgados ".

Cambiar la configuración estructural de un material de una fase a otra es fundamental, característica binaria que subyace a los circuitos digitales actuales. Los componentes electrónicos capaces de esta transición de fase se han reducido a tamaños finos como el papel, pero todavía se consideran a granel, Capas tridimensionales de científicos. En comparación, Los materiales monocapa 2-D están compuestos por una sola capa de átomos o moléculas cuyo espesor es 100, 000 veces más pequeño que un cabello humano.

"La idea del dopaje electrónico para alterar la estructura atómica de un material es exclusiva de los materiales 2-D, que son mucho más ajustables eléctricamente en comparación con los materiales a granel 3-D, "dijo el coautor principal del estudio, Jun Xiao, estudiante de posgrado en el laboratorio de Zhang.

El enfoque clásico para impulsar la transición estructural de materiales implica calentar a más de 500 grados Celsius. Estos métodos consumen mucha energía y no son factibles para aplicaciones prácticas. Además, el exceso de calor puede reducir significativamente la vida útil de los componentes de los circuitos integrados.

Varios grupos de investigación también han investigado el uso de productos químicos para alterar la configuración de átomos en materiales semiconductores. pero ese proceso sigue siendo difícil de controlar y no ha sido adoptado ampliamente por la industria.

"Aquí utilizamos el dopaje electrostático para controlar la configuración atómica de un material bidimensional, "dijo el coautor principal del estudio, Ying Wang, otro estudiante de posgrado en el laboratorio de Zhang. "En comparación con el uso de productos químicos, nuestro método es reversible y libre de impurezas. Tiene un mayor potencial de integración en la fabricación de teléfonos móviles, computadoras y otros dispositivos electrónicos ".

Los investigadores utilizaron ditelurida de molibdeno (MoTe2), un semiconductor 2-D típico, y lo recubrió con un líquido iónico (DEME-TFSI), que tiene una capacitancia ultra alta, o capacidad para almacenar cargas eléctricas. La capa de líquido iónico permitió a los investigadores inyectar al semiconductor electrones a una densidad de entre cien billones y un cuatrillón por centímetro cuadrado. Es una densidad de electrones que es de uno a dos órdenes más alta en magnitud que la que se podría lograr en materiales a granel 3-D, dijeron los investigadores.

Mediante análisis espectroscópico, los investigadores determinaron que la inyección de electrones cambió la disposición de los átomos del ditelururo de molibdeno de una forma hexagonal a una monoclínica, que tiene una forma de cuboide más inclinada. Una vez que los electrones se retrajeron, la estructura cristalina volvió a su patrón hexagonal original, mostrando que la transición de fase es reversible. Es más, Estos dos tipos de arreglos de átomos tienen simetrías muy diferentes, proporcionando un gran contraste para aplicaciones en componentes ópticos.

"Un dispositivo tan atómicamente delgado podría tener funciones duales, sirviendo simultáneamente como transistores ópticos o eléctricos, y así ampliar las funcionalidades de la electrónica utilizada en nuestra vida diaria, "dijo Wang.