Las aleaciones bidimensionales semiconductoras podrían ser clave para superar las limitaciones técnicas de la electrónica moderna. Aunque las aleaciones 2-D Si – Ge tendrían propiedades interesantes para este propósito, solo se predijeron teóricamente. Ahora, Científicos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón han realizado la primera demostración experimental. También han demostrado que la relación Si a Ge se puede ajustar para afinar las propiedades electrónicas de las aleaciones, allanando el camino para aplicaciones novedosas.

Las aleaciones —materiales compuestos por una combinación de diferentes elementos o compuestos— han jugado un papel crucial en el desarrollo tecnológico de los seres humanos desde la Edad del Bronce. Hoy dia, Alear materiales con estructuras similares y elementos compatibles es esencial porque nos permite ajustar las propiedades de la aleación final para satisfacer nuestras necesidades.

La versatilidad proporcionada por la aleación se extiende naturalmente al campo de la electrónica. Las aleaciones de semiconductores son un área de investigación activa porque se necesitarán nuevos materiales para rediseñar los componentes básicos de los dispositivos electrónicos (transistores); a este respecto, Las aleaciones de semiconductores bidimensionales (2-D) se consideran una opción prometedora para superar las limitaciones técnicas de la electrónica moderna. Desafortunadamente, grafeno el niño del cartel a base de carbono para materiales 2-D, no se presta fácilmente a la aleación, lo que lo deja fuera de la ecuación.

Sin embargo, hay una alternativa atractiva:el silicene. Este material está compuesto en su totalidad por átomos de silicio (Si) dispuestos en una estructura en forma de panal 2-D que recuerda al grafeno. Si las propiedades del siliceno pudieran ajustarse según sea necesario, despegaría el campo de la nanoelectrónica 2-D basada en silicio. Aunque se predijo teóricamente que la aleación de siliceno con germanio (Ge) produciría estructuras bidimensionales estables con propiedades ajustables por la relación Si a Ge, esto nunca se realizó en la práctica.

Ahora, un equipo de científicos del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST) ha demostrado experimentalmente una nueva forma de hacer crecer una capa de silicio y reemplazar de manera estable una parte de sus átomos con Ge, permitiéndoles afinar algunas de sus propiedades eléctricas.

Su estudio se publica en Materiales de revisión física .

Primero, Los científicos hicieron crecer una sola capa de siliceno 2-D sobre una película delgada de diboruro de circonio (ZrB2) crecida sobre un sustrato de silicio a través de la segregación superficial de átomos de Si que cristalizan en una estructura de panal de abeja 2-D. Sin embargo, esta capa de siliceno no era perfectamente plana; una sexta parte de todos los átomos de Si eran un poco más altos que el resto, formando protuberancias o protuberancias periódicas.

Luego, Los átomos de Ge se depositaron sobre la capa de siliceno en condiciones de vacío ultra alto. Curiosamente, Tanto los cálculos teóricos como las observaciones experimentales a través de microscopía y espectroscopía revelaron que los átomos de Ge solo podían reemplazar a los átomos de Si que sobresalen. Ajustando el número de átomos de Ge depositados, Se podría producir una aleación Si-Ge con una relación deseada de Si a Ge. La composición del material final sería, por tanto, Si6 − xGex, donde x puede ser cualquier número entre 0 y 1.

Luego, el equipo estudió los efectos de esta relación ajustable de Si a Ge sobre las propiedades electrónicas de la aleación Si-Ge. Descubrieron que su estructura de banda electrónica, una de las características más importantes de un semiconductor, podría ajustarse dentro de un rango específico manipulando la composición del material. Emocionado por los resultados, Profesor titular Antoine Fleurence de JAIST, autor principal del estudio, comentarios "El silicio y el germanio son elementos que se utilizan habitualmente en la industria de los semiconductores, y demostramos que es posible diseñar la estructura de banda de las aleaciones 2-D Si – Ge de una manera que recuerde a la de las aleaciones a granel (3-D) Si – Ge utilizadas en diversas aplicaciones ".

Las implicaciones de este estudio son importantes por múltiples razones. Primero, la máxima delgadez y flexibilidad de los materiales 2-D es atractiva para muchas aplicaciones porque significa que podrían integrarse más fácilmente en dispositivos para la vida diaria. Segundo, los resultados podrían allanar el camino hacia un gran avance en la electrónica. Coautor del estudio, Profesora Yukiko Yamada-Takamura de JAIST, explica, "Los materiales bidimensionales semiconductores hechos de silicio y germanio con un espesor atómicamente preciso podría disminuir aún más las dimensiones de los ladrillos elementales de los dispositivos electrónicos. Esto representaría un hito tecnológico para las nanotecnologías basadas en el silicio".

En general, Este estudio muestra algunas de las ventajas de la aleación como una forma de producir materiales con propiedades más deseables que aquellos hechos de un solo elemento o compuesto. Esperemos que las aleaciones 2-D semiconductoras se refinen aún más para que puedan ser el centro de atención en los dispositivos electrónicos de próxima generación.