Durante más de 50 años, Los fabricantes de chips de silicio han ideado formas ingeniosas de encender y apagar la electricidad, generando los digitales unos y ceros que codifican palabras, imágenes, películas y otras formas de datos.

Pero a medida que los investigadores piensan en la electrónica durante los próximos 50 años, Han comenzado a mirar más allá del silicio hacia nuevos tipos de materiales que se encuentran en capas únicas de solo tres átomos de espesor, mucho más delgadas que los chips de silicio modernos, pero son capaces de controlar la electricidad de manera más eficiente para crear esos ceros y unos digitales.

Ahora, un equipo dirigido por el profesor asociado de ingeniería eléctrica de Stanford, Eric Pop, ha demostrado cómo podría ser posible producir en masa materiales y componentes electrónicos tan atómicamente delgados. ¿Por qué sería útil esto? Debido a que estos materiales delgados también serían transparentes y flexibles, de formas que permitan dispositivos electrónicos que no serían posibles de fabricar con silicio.

"¿Y si tu ventana fuera también un televisor? ¿O podría tener una pantalla de visualización frontal en el parabrisas de su automóvil? ", preguntó Kirby Smithe. un estudiante de posgrado en el equipo de Pop, sugiriendo aplicaciones electrónicas que los nuevos materiales podrían hacer posibles.

Smithe Pop y coautores Chris English y Saurabh Suryavanshi, ambos estudiantes de posgrado en el laboratorio de Pop, han descrito su trabajo en la revista 2D Materials, que se dedica a la investigación de atómicamente delgados, dispositivos bidimensionales.

Teoría en realidad

El objetivo del equipo era desarrollar un proceso de fabricación para convertir chips de una sola capa en realidades prácticas. El primer material atómicamente delgado se midió en 2004 cuando los científicos observaron que el grafeno, un material relacionado con la "mina" de los lápices, podía aislarse en capas del grosor de un solo átomo de carbono. Los científicos que hicieron este hallazgo compartieron el Premio Nobel de Física de 2010.

Pero el proceso utilizado para hacer ese descubrimiento (los científicos levantaron capas de grafeno de una roca con cinta adhesiva) no sirvió para convertir cristales ultrafinos en dispositivos electrónicos de próxima generación.

Tras el descubrimiento del grafeno, Los ingenieros se embarcaron en una búsqueda para encontrar materiales similares y, más importante, formas prácticas de convertir interruptores atómicamente delgados en circuitos.

Es en el tema de la capacidad de fabricación donde los miembros del equipo de Stanford lograron un gran avance. Comenzaron con una sola capa de material llamado disulfuro de molibdeno. El nombre describe su estructura similar a un sándwich:una hoja de átomos de molibdeno entre dos capas de azufre. Investigaciones anteriores habían demostrado que el disulfuro de molibdeno era un buen cambio, controlando la electricidad para crear unos y ceros digitales.

Ampliar

La pregunta era si el equipo podría fabricar un cristal de bisulfuro de molibdeno lo suficientemente grande como para formar un chip. Eso requiere construir un cristal aproximadamente del tamaño de su miniatura. Puede que esto no parezca un gran problema hasta que considere la relación de aspecto del cristal requerida:un chip de solo tres átomos de grosor, pero el tamaño de su miniatura es como una sola hoja de papel lo suficientemente grande como para cubrir todo el campus de Stanford.

El equipo de Stanford fabricó esa lámina depositando tres capas de átomos en una estructura cristalina 25 millones de veces más ancha que gruesa. Smithe logró esto haciendo ingeniosos refinamientos en un proceso de fabricación llamado deposición química de vapor. Este enfoque esencialmente incinera pequeñas cantidades de azufre y molibdeno hasta que los átomos se vaporizan como hollín. Luego, los átomos se depositan como una capa cristalina ultrafina sobre un sustrato de "mango", que puede ser de vidrio o incluso de silicona.

Sin embargo, el trabajo de los investigadores no se hizo. Todavía tenían que modelar el material en interruptores eléctricos y comprender su funcionamiento. Para esto, hicieron uso de un avance reciente liderado por el inglés, quienes descubrieron que las condiciones de deposición extremadamente limpias son esenciales para formar buenos contactos metálicos con las capas de disulfuro de molibdeno. La gran cantidad de nuevos datos experimentales disponibles ahora en el laboratorio también ha permitido a Suryavanshi elaborar modelos informáticos precisos de los nuevos materiales y comenzar a predecir su comportamiento colectivo como componentes de circuitos.

"Tenemos mucho trabajo por delante para escalar este proceso en circuitos con escalas más grandes y mejor rendimiento, ", Dijo Pop." Pero ahora tenemos todos los componentes básicos ".

Grabando los interruptores

Durante la fabricación de chips, los circuitos deben estar grabados en el material. Para demostrar cómo una gran escala, El proceso de fabricación de chips de una sola capa podría realizar este paso en el futuro, el equipo utilizó herramientas de grabado estándar para cortar el logotipo de Stanford en su prototipo. Y luego, para divertirse un poco con un proyecto que completaron durante una campaña electoral nacional, grabaron retratos a nanoescala de los dos principales candidatos del partido en su lienzo atómicamente delgado.

Pop dijo que el equipo de Stanford se inspiró para hacer esto por investigadores que hicieron algo similar durante el ciclo electoral de 2008, cuando crearon "nanobama", imágenes minúsculas del entonces presidente electo Barack Obama usando nanotubos de carbono. Los nanotubos son otra posible tecnología de chips de próxima generación; los investigadores de ese proyecto utilizaron nanobama como una forma de llamar la atención sobre la capacidad de los tecnólogos para fabricar objetos que son casi inimaginablemente diminutos.

"Mucha gente está interesada en la electrónica porque la tecnología es útil, ", Dijo Pop." Pero esperamos que nanotrump y nanoclinton puedan ampliar el interés en la investigación. Quizás ver retratos grabados en un lienzo de tres átomos de espesor inspire a los futuros investigadores de formas que ni siquiera podemos imaginar ".