Investigadores de la Universidad Johns Hopkins han desarrollado un nuevo método para producir cristales semiconductores atómicamente delgados que algún día podrían permitir dispositivos electrónicos más potentes y compactos.

Mediante el uso de superficies de silicona especialmente tratadas para adaptar el tamaño y la forma de los cristales, los investigadores han encontrado una forma potencialmente más rápida y menos costosa de producir cristales semiconductores de próxima generación para microchips. Los materiales cristalinos producidos de esta manera podrían, a su vez, permitir nuevos descubrimientos científicos y acelerar los desarrollos tecnológicos en la computación cuántica. electrónica de consumo, y baterías y celdas solares de mayor eficiencia.

Los hallazgos se describen en un artículo publicado hoy en Nanotecnología de la naturaleza .

"Tener un método para esculpir cristales a nanoescala con precisión, rápidamente, y sin la necesidad de procesos tradicionales de arriba hacia abajo, presenta importantes ventajas para la utilización generalizada de nanomateriales en aplicaciones tecnológicas, "dijo Thomas J. Kempa, profesor de química de la Universidad Johns Hopkins que dirigió la investigación.

El equipo de Kempa primero roció sustratos de silicio, los soportes que se utilizan ampliamente en entornos industriales para procesar semiconductores en dispositivos, con gas fosfina. Cuando se convenció a los cristales para que crecieran sobre los soportes de silicio tratados con fosfina, los autores descubrieron que se convirtieron en estructuras mucho más pequeñas y de mayor calidad que los cristales preparados por medios tradicionales.

Los investigadores descubrieron que la reacción de la fosfina con el soporte de silicio provocó la formación de una nueva "superficie de diseño". Esta superficie estimuló a los cristales a crecer como "cintas" horizontales en oposición a las láminas planas y de forma triangular que se producen típicamente. Es más, la tez uniforme y la estructura de bordes limpios de estas cintas rivalizaban con la calidad de los nanocristales preparados a través de los procesos de grabado y modelado estándar de la industria, que a menudo son laboriosos, largo, y caro, Dijo Kempa.

Los nanocristales preparados en este estudio se denominan "dicalcogenuros de metales de transición" o TMD. Como el grafeno Los TMD han disfrutado de una atención generalizada por poseer propiedades poderosas que son una consecuencia única de su escala "bidimensional". Pero los métodos de procesamiento convencionales luchan por alterar fácilmente la textura de los TMD de manera que se adapten a los nuevos descubrimientos y al desarrollo de tecnologías de mejor rendimiento.

Notablemente, las versiones de TMD que Kempa y su equipo pudieron crear eran tan pequeñas que las llamaron "unidimensionales" para diferenciarlas de las hojas bidimensionales habituales con las que la mayoría de los investigadores están familiarizados.

Las limitaciones en el procesamiento de materiales son una de las razones por las que la Ley de Moore se ha ralentizado en los últimos años. La regla, planteado en 1965 por el cofundador de Intel, Gordon E. Moore, establece que el número de transistores, y su desempeño, en un circuito integrado denso se duplicará aproximadamente cada dos años. Empaquetando tantos transistores del tamaño de una micra en microchips, o circuitos integrados, es la razón por la que la electrónica de consumo se ha vuelto cada vez más pequeña, más rápido, y más inteligente en las últimas décadas.

Sin embargo, la industria de los semiconductores ahora está luchando por mantener ese ritmo.

Las características notables de los cristales preparados por Kempa y su equipo incluyen:

1. Su estructura atómica altamente uniforme y su calidad se deben al hecho de que fueron sintetizados en lugar de fabricados a través de los métodos tradicionales de modelado y grabado. La elegante calidad de estos cristales podría hacerlos más eficientes en la conducción y conversión de energía en células solares o catalizadores.
2. Los investigadores pudieron cultivar directamente los cristales según sus especificaciones precisas cambiando la cantidad de fosfina.
3. El "sustrato de diseño" es "modular, "lo que significa que los laboratorios académicos e industriales podrían utilizar esta tecnología junto con otros procesos de crecimiento de cristales existentes para fabricar nuevos materiales.
4. Los "sustratos de diseño" también son reutilizables, ahorrando dinero y tiempo en el procesamiento.
5. La forma de cinta resultante, Los cristales unidimensionales emiten luz cuyo color se puede ajustar ajustando el ancho de la cinta, indicando su potencial promesa en aplicaciones de información cuántica.

Estamos aportando un avance fundamental en el control racional de la forma y dimensión de los materiales a nanoescala, "Dijo Kempa.

Este método puede "esculpir cristales a nanoescala de formas que antes no eran posibles, ", añadió." Un control sintético tan preciso del tamaño de los cristales a estas escalas de longitud no tiene precedentes ".

"Nuestro método podría ahorrar tiempo y dinero de procesamiento considerables, ", dijo." Nuestra capacidad para controlar estos cristales a voluntad podría permitir aplicaciones en el almacenamiento de energía, computación cuántica y criptografía cuántica ".