Los óxidos aislantes son compuestos que contienen oxígeno que no conducen electricidad, pero a veces pueden formar interfaces conductoras cuando se superponen juntas con precisión. Los electrones conductores en la interfaz forman un gas de electrones bidimensional (2DEG) que cuenta con exóticas propiedades cuánticas que hacen que el sistema sea potencialmente útil en aplicaciones de electrónica y fotónica.

Investigadores de la Universidad de Yale ahora han desarrollado un sistema 2DEG en arseniuro de galio, un semiconductor que es eficiente para absorber y emitir luz. Este desarrollo es prometedor para los nuevos dispositivos electrónicos que interactúan con la luz, como nuevos tipos de transistores, interruptores superconductores y sensores de gas.

"Veo esto como un componente básico para la electrónica de óxido, "dijo Lior Kornblum, ahora del Technion - Instituto de Tecnología de Israel, que describe la nueva investigación que aparece esta semana en el Revista de física aplicada .

Los 2DEG de óxido se descubrieron en 2004. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que intercalar dos capas de algunos óxidos aislantes puede generar electrones conductores que se comportan como un gas o líquido cerca de la interfaz entre los óxidos y pueden transportar información.

Los investigadores han observado previamente 2DEG con semiconductores, pero los 2DEG de óxido tienen densidades de electrones mucho más altas, haciéndolos candidatos prometedores para algunas aplicaciones electrónicas. Los 2DEG de óxido tienen propiedades cuánticas interesantes, atrayendo interés en sus propiedades fundamentales también. Por ejemplo, los sistemas parecen exhibir una combinación de comportamientos magnéticos y superconductividad.

Generalmente, es difícil producir 2DEG de óxido en masa porque solo se pueden obtener pequeñas piezas de los cristales de óxido necesarios, Dijo Kornblum. Si, sin embargo, los investigadores pueden hacer crecer los óxidos en grandes obleas semiconductoras disponibles comercialmente, luego pueden escalar 2DEG de óxido para aplicaciones del mundo real. El cultivo de 2DEG de óxido en semiconductores también permite a los investigadores integrar mejor las estructuras con la electrónica convencional. Según Kornblum, Permitir que los electrones de óxido interactúen con los electrones en el semiconductor podría conducir a una nueva funcionalidad y más tipos de dispositivos.

El equipo de Yale cultivó previamente 2DEG de óxido en obleas de silicio. En el nuevo trabajo cultivaron con éxito 2DEG de óxido en otro semiconductor importante, arseniuro de galio, que resultó ser más desafiante.

La mayoría de los semiconductores reaccionan con el oxígeno del aire y forman una capa superficial desordenada, que deben eliminarse antes de hacer crecer estos óxidos en el semiconductor. Para silicio, la eliminación es relativamente fácil:los investigadores calientan el semiconductor al vacío. Este enfoque, sin embargo, no funciona bien con arseniuro de galio.

En lugar de, el equipo de investigación cubrió una superficie limpia de una oblea de arseniuro de galio con una capa de arsénico. El arsénico protegió la superficie del semiconductor del aire mientras transfirieron la oblea a un instrumento que produce óxidos mediante un método llamado epitaxia de haz molecular. Esto permite que un material crezca sobre otro mientras se mantiene una estructura cristalina ordenada en toda la interfaz.

Próximo, los investigadores calentaron suavemente la oblea para evaporar la fina capa de arsénico, exponiendo la prístina superficie semiconductora debajo. Luego cultivaron un óxido llamado SrTiO3 en el arseniuro de galio y, inmediatamente despues, otra capa de óxido de GdTiO3. Este proceso formó un 2DEG entre los óxidos.

El arseniuro de galio es solo uno de toda una clase de materiales llamados semiconductores III-V, y este trabajo abre un camino para integrar 2DEG de óxido con otros.

"La capacidad de acoplar o integrar estos interesantes gases de electrones bidimensionales de óxido con arseniuro de galio abre el camino a dispositivos que podrían beneficiarse de las propiedades eléctricas y ópticas del semiconductor, ", Dijo Kornblum." Este es un material de entrada para otros miembros de esta familia de semiconductores ".