(PhysOrg.com) - La cámara de su teléfono recopila luz sobre el silicio y traduce esa información en bits digitales. Una de las razones por las que esas cámaras y teléfonos continúan mejorando es que los investigadores están desarrollando nuevos materiales que absorben más luz, usar menos energía, y son menos costosos de producir.
Ahora, Los investigadores en ingeniería y ciencia de materiales de la Universidad de Wisconsin-Madison han introducido innovaciones que podrían hacer posible una amplia gama de nuevos materiales cristalinos. Escribiendo en la edición web del 8 de junio de la revista American Chemical Society ACS Nano , Los asistentes de investigación Deborah Paskiewicz y Boy Tanto junto con el científico Donald Savage y el profesor Erwin W. Mueller y el profesor Bascom de ciencia de superficies Max Lagally, describen un nuevo enfoque para el uso de láminas delgadas de semiconductores conocidas como nanomembranas.
El estiramiento controlado de estas membranas a través de la epitaxia permite al equipo fabricar nanomembranas de germanio de silicio totalmente elásticamente relajadas para su uso como sustratos de crecimiento para nuevos materiales. El equipo cultivó capas de germanio de silicio sin defectos con cualquier concentración de germanio deseada en sustratos de silicio y luego liberó las capas de germanio de silicio del silicio rígido. permitiéndoles relajarse completamente como nanomateriales independientes. La película de silicio germanio se transfiere luego a un nuevo anfitrión y se une allí. De esta etapa, se puede cultivar un cristal de germanio de silicio a granel sin defectos (algo que no es posible con la tecnología actual), o la membrana de silicio germanio se puede utilizar como un sustrato único para cultivar otros materiales.
Epitaxia, crecimiento que controla la disposición de los átomos en capas delgadas sobre un sustrato, es la tecnología fundamental que subyace al uso de estos nuevos materiales por parte de la industria de los semiconductores. Combinando elementos, los investigadores pueden cultivar materiales con propiedades únicas que hacen posible nuevos tipos de sensores o alta velocidad, de baja potencia electrónica avanzada eficiente. Es la capacidad de cultivarlos sin defectos perjudiciales lo que hace que estas aleaciones sean útiles para la industria de los semiconductores. Sin embargo, La fabricación de cristales de alta calidad que combinan dos o más elementos enfrenta importantes limitaciones que han molestado a los investigadores durante décadas.
“Muchos materiales que constan de más de un elemento simplemente no se pueden utilizar. Las distancias entre los átomos no son las mismas, ”Dice Lagally. "Cuando uno comienza a crecer tal capa, los átomos comienzan a interferir entre sí y muy pronto el material ya no puede crecer como un solo cristal porque comienza a tener defectos. Finalmente, se rompe en pequeños cristales y se vuelve policristalino, o incluso grietas ".
Además de su uso en la industria de semiconductores, El germanio de silicio es importante para el campo naciente de la computación cuántica. Una computadora cuántica hace uso directo de fenómenos de la mecánica cuántica como la superposición y el entrelazamiento para realizar cálculos. Las computadoras actuales están limitadas a dos estados; encendido y apagado, o cero y uno. Con superposición, Las computadoras cuánticas codifican la información como bits cuánticos. Estos bits representan los estados variables y el funcionamiento interno de átomos y electrones. Al manipular estos múltiples estados simultáneamente, una computadora cuántica a gran escala, si se puede construir, podría ser millones de veces más potente que el superordenador clásico más potente de la actualidad.
El profesor de física de la UW-Madison, Mark Eriksson, utiliza germanio de silicio para producir gases de electrones bidimensionales. "Un 'gas de electrones bidimensionales' es una capa de un semiconductor en la que las cargas pueden moverse libremente a grandes distancias, en analogía con los átomos en un gas real, excepto confinado a una capa delgada y por lo tanto bidimensional. Para la computación cuántica, este gas de electrones bidimensionales se forma en una capa de silicio deformado que crece sobre un sustrato de silicio germanio. Los electrodos colocados en la parte superior de una estructura que contiene el gas de electrones 2-D en la capa de silicio tenso permiten mover y controlar electrones individuales, convertir regiones del pozo cuántico en "cubos de electrones, 'Si quieres, que están definidos por los campos eléctricos de los electrodos superiores, "dice Lagally.
Un obstáculo importante para el desarrollo de una computadora cuántica es la creación de múltiples cubos cuánticos lo más similares posible. Para progresar rápidamente, los investigadores necesitan materiales consistentes y con pocos defectos.
“Con los sustratos de silicio germanio que hemos estado utilizando, los campos electrostáticos pueden ser bastante inciertos debido a los defectos en el sustrato, ”Dice Lagally. “Creemos que nuestro nuevo proceso puede arreglar eso. Debido a que el material del sustrato es uniforme, sin defectos, debería aportar más previsibilidad y control a los esfuerzos de Mark ".
Más allá del germanio de silicio, Lagally dice que el proceso debería funcionar para una amplia gama de materiales exóticos que no se pueden cultivar a granel pero que tienen propiedades interesantes. El profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales Paul Evans desarrolla nuevas formas de probar y aplicar estos materiales.
“Los sustratos delgados libres de defectos que se pueden producir al transferir y relajar estas capas presentan oportunidades interesantes en el crecimiento de materiales más allá del silicio y otros semiconductores tradicionales, ”Dice Evans. "Con este enfoque, será posible producir sustratos libres de defectos de materiales para los que no existen materiales a granel de alta calidad cristalina. En óxidos complejos, esto puede conducir a sustratos delgados que estabilizan fases ferroeléctricas o dieléctricas específicas. Eso podría conducir a mejores osciladores, sensores y dispositivos ópticos, que son importantes para los celulares, cámaras y computadoras que usamos todos los días ".
