Los científicos han visualizado la estructura electrónica en un dispositivo microelectrónico por primera vez, abriendo oportunidades para dispositivos electrónicos de alto rendimiento finamente ajustados.

Físicos de la Universidad de Warwick y la Universidad de Washington han desarrollado una técnica para medir la energía y el impulso de los electrones en el funcionamiento de dispositivos microelectrónicos hechos de atómicamente delgados, los llamados bidimensionales, materiales.

Usando esta información, pueden crear representaciones visuales de las propiedades eléctricas y ópticas de los materiales para guiar a los ingenieros a maximizar su potencial en los componentes electrónicos.

El estudio dirigido experimentalmente se publica en Naturaleza hoy (17 de julio) y también podría ayudar a allanar el camino para los semiconductores bidimensionales que probablemente desempeñen un papel en la próxima generación de electrónica, en aplicaciones como la fotovoltaica, dispositivos móviles y computadoras cuánticas.

La estructura electrónica de un material describe cómo se comportan los electrones dentro de ese material, y por lo tanto la naturaleza de la corriente que fluye a través de él. Ese comportamiento puede variar según el voltaje (la cantidad de 'presión' en sus electrones) aplicada al material, y así los cambios en la estructura electrónica con voltaje determinan la eficiencia de los circuitos microelectrónicos.

Estos cambios en la estructura electrónica de los dispositivos operativos son los que sustentan toda la electrónica moderna. Hasta ahora, sin embargo, No ha habido forma de ver directamente estos cambios para ayudarnos a comprender cómo afectan el comportamiento de los electrones.

Al aplicar esta técnica, los científicos tendrán la información que necesitan para desarrollar componentes electrónicos 'ajustados' que funcionen de manera más eficiente y operen con un alto rendimiento con un menor consumo de energía. También ayudará en el desarrollo de semiconductores bidimensionales que se consideran componentes potenciales para la próxima generación de electrónica. con aplicaciones en electrónica flexible, fotovoltaica, y espintrónica. A diferencia de los semiconductores tridimensionales actuales, Los semiconductores bidimensionales constan de unas pocas capas de átomos.

El Dr. Neil Wilson del Departamento de Física de la Universidad de Warwick dijo:"La forma en que la estructura electrónica cambia con el voltaje es lo que determina cómo funciona un transistor en su computadora o televisión. Por primera vez estamos visualizando directamente esos cambios. No podemos ver cómo eso cambia con los voltajes fue un gran eslabón perdido Este trabajo está en el nivel fundamental y es un gran paso en la comprensión de los materiales y la ciencia detrás de ellos.

"La nueva información sobre los materiales nos ha ayudado a comprender las brechas de banda de estos semiconductores, que es el parámetro más importante que afecta su comportamiento, de qué longitud de onda de luz emiten, a cómo cambian la corriente en un transistor ".

La técnica utiliza espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) para "excitar" electrones en el material elegido. Al enfocar un rayo de luz ultravioleta o de rayos X sobre los átomos en un área localizada, los electrones excitados son eliminados de sus átomos. Luego, los científicos pueden medir la energía y la dirección de viaje de los electrones, a partir del cual pueden calcular la energía y el momento que tenían dentro del material (utilizando las leyes de conservación de la energía y el momento). Eso determina la estructura electrónica del material, que luego se pueden comparar con predicciones teóricas basadas en cálculos de estructura electrónica de última generación realizados en este caso por el grupo de investigación del coautor Dr. Nicholas Hine.

El equipo probó primero la técnica utilizando grafeno antes de aplicarla a semiconductores bidimensionales de dicalcogenuro de metal de transición (TMD). Las mediciones se tomaron en la línea de espectromicroscopía del sincrotrón ELETTRA en Italia, en colaboración con el Dr. Alexei Barinov y su grupo allí.

Dr. David Cobden, profesor del Departamento de Física de la Universidad de Washington, dijo:"Solía ​​ser que la única forma de aprender sobre lo que hacen los electrones en un dispositivo semiconductor en funcionamiento era comparar sus características de corriente-voltaje con modelos complicados. Ahora, gracias a los avances recientes que permiten aplicar la técnica ARPES en puntos diminutos, combinado con la llegada de materiales bidimensionales donde la acción electrónica puede estar en la misma superficie, podemos medir directamente el espectro electrónico en detalle y ver cómo cambia en tiempo real. Esto cambia el juego ".

Dr. Xiaodong Xu, del Departamento de Física y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Washington, dijo:"Esta poderosa técnica de espectroscopia abrirá nuevas oportunidades para estudiar fenómenos fundamentales, como la visualización de la transición de fase topológica eléctricamente sintonizable y los efectos de dopaje en las fases electrónicas correlacionadas, que de otra manera son un desafío ".