El diagrama muestra la estructura de hoja plana del material utilizado por el equipo del MIT, disulfuro de molibdeno. Los átomos de molibdeno se muestran en verde azulado, y átomos de azufre en amarillo. Imagen cortesía de Wang et al.
El descubrimiento del grafeno, un material de solo un átomo de espesor y que posee una resistencia excepcional y otras propiedades novedosas, inició una avalancha de investigaciones en torno a su uso para todo, desde la electrónica hasta la óptica y los materiales estructurales. Pero una nueva investigación sugiere que eso fue solo el comienzo:toda una familia de materiales bidimensionales puede abrir posibilidades aún más amplias para aplicaciones que podrían cambiar muchos aspectos de la vida moderna.
El material "nuevo" más reciente, disulfuro de molibdeno (MoS 2 ) - que se ha utilizado durante décadas, pero no en su forma 2-D, fue descrita por primera vez hace apenas un año por investigadores en Suiza. Pero en ese año Los investigadores del MIT, que lucharon durante varios años para construir circuitos electrónicos con grafeno con resultados muy limitados (excepto para aplicaciones de radiofrecuencia), ya han logrado fabricar una variedad de componentes electrónicos a partir de MoS. 2 . Dicen que el material podría ayudar a introducir productos radicalmente nuevos, desde paredes enteras que brillan hasta ropa con componentes electrónicos integrados y gafas con pantallas de visualización integradas.
Este mes se publicó en línea un informe sobre la producción de circuitos electrónicos complejos a partir del nuevo material en la revista. Nano letras ; el artículo está escrito por Han Wang y Lili Yu, estudiantes de posgrado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS); Tomás Palacios, el profesor asociado Emmanuel E. Landsman de EECS; y otros en el MIT y en otros lugares.
Palacios dice que cree que el grafeno y el MoS 2 son solo el comienzo de un nuevo campo de investigación sobre materiales bidimensionales. "Es el momento más emocionante para la electrónica en los últimos 20 o 30 años, ", dice." Está abriendo la puerta a un dominio completamente nuevo de materiales y dispositivos electrónicos ".
Como el grafeno en sí misma una forma 2-D de grafito, El disulfuro de molibdeno se ha utilizado durante muchos años como lubricante industrial. Pero nunca se había visto como una plataforma 2-D para dispositivos electrónicos hasta el año pasado. cuando los científicos de la universidad suiza EPFL produjeron un transistor sobre el material.
Los investigadores del MIT entraron rápidamente en acción:Yi-Hsien Lee, un postdoctorado en el grupo del profesor asociado Jing Kong en EECS, encontró una buena manera de fabricar láminas grandes del material mediante un proceso de deposición de vapor químico. A Lee se le ocurrió este método mientras trabajaba con Lain-Jong Li en la Academia Sinica en Taiwán y lo mejoró después de llegar al MIT. Palacios, Wang y Yu luego se dispusieron a producir bloques de construcción de circuitos electrónicos en las hojas hechas por Lee, así como en MoS 2 escamas producidas por un método mecánico, que se utilizaron para el trabajo descrito en el nuevo documento.
Una imagen de microscopio óptico muestra un circuito integrado complejo, llamado circuito flip-flop JK, un dispositivo lógico básico, hecho en una pieza de bisulfuro de molibdeno por el equipo del MIT. Imagen cortesía de Wang et al.
Wang había estado luchando por construir circuitos en grafeno para la investigación de su tesis doctoral, pero le resultó mucho más fácil hacerlo con el nuevo material. Hubo un "gran cuello de botella" para progresar con el grafeno, el explica, porque ese material carece de banda prohibida, la propiedad clave que hace posible la creación de transistores, el componente básico de los circuitos lógicos y de memoria. Si bien el grafeno debe modificarse de manera rigurosa para crear una banda prohibida, MoS 2 naturalmente viene con uno.
La falta de una banda prohibida, Wang explica, significa que con un interruptor hecho de grafeno, "puedes encenderlo, pero no puedes apagarlo. Eso significa que no se puede hacer lógica digital ". Por eso, la gente ha estado buscando durante años un material que comparta algunas de las propiedades extraordinarias del grafeno, pero también tiene esta cualidad ausente, como lo hace el disulfuro de molibdeno.
Debido a que ya se produce ampliamente como lubricante, y gracias al trabajo en curso en el MIT y otros laboratorios para convertirlo en hojas grandes, aumentar la producción del material para usos prácticos debería ser mucho más fácil que con otros materiales nuevos, Wang y Palacios dicen.
Wang y Palacios pudieron fabricar una variedad de dispositivos electrónicos básicos en el material:un inversor, que cambia un voltaje de entrada a su opuesto; una puerta NAND, un elemento lógico básico que se puede combinar para realizar casi cualquier tipo de operación lógica; un dispositivo de memoria, uno de los componentes clave de todos los dispositivos computacionales; y un circuito más complejo llamado oscilador de anillo, compuesto por 12 transistores interconectados, que puede producir una salida de onda sintonizada con precisión.
Palacios dice que una posible aplicación del nuevo material son las pantallas grandes, como televisores y monitores de computadora, donde un transistor separado controla cada píxel de la pantalla. Debido a que el material tiene solo una molécula de espesor, a diferencia del silicio altamente purificado que se usa para los transistores convencionales y debe tener un espesor de millones de átomos, incluso una pantalla muy grande usaría solo una cantidad infinitesimal de materias primas. Esto podría reducir potencialmente el costo y el peso y mejorar la eficiencia energética.
En el futuro, también podría habilitar tipos de dispositivos completamente nuevos. El material podría usarse, en combinación con otros materiales 2-D, para fabricar dispositivos emisores de luz. En lugar de producir una fuente de luz puntual a partir de una bombilla, se podría hacer brillar una pared entera, produciendo más suave, luz menos deslumbrante. Similar, la antena y otros circuitos de un teléfono celular pueden estar tejidos en tela, proporcionando una antena mucho más sensible que necesita menos energía y podría incorporarse a la ropa, Dice Palacios.
El material es tan delgado que es completamente transparente, y puede depositarse sobre prácticamente cualquier otro material. Por ejemplo, MoS 2 podría aplicarse al vidrio, producir pantallas integradas en un par de anteojos o en la ventana de una casa u oficina.
Ali Javey, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de California en Berkeley, que no participó en esta investigación, dice materiales en capas como MoS 2 son "una clase prometedora de materiales para la electrónica del futuro, "pero advierte que" el futuro parece prometedor para los semiconductores en capas, pero aún queda trabajo por hacer para comprender mejor sus límites de rendimiento y la fabricación a gran escala ".
En general, Javey dice:La investigación del equipo del MIT es un trabajo "elegante" que "da un importante paso adelante en el avance del campo de los semiconductores en capas".
Además de Palacios, Kong, Wang, Yu y Lee, el trabajo fue realizado por el estudiante de posgrado Allen Hsu y el afiliado del MIT Yumeng Shi, con los investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. Matthew Chin y Madan Dubey, y Lain-Jong Li de Academia Sinica en Taiwán. El trabajo fue financiado por la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., el Centro de Enfoque de Materiales de la Corporación de Investigación Avanzada de Microelectrónica, la Fundación Nacional de Ciencias y el Laboratorio de Investigación del Ejército.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
