Chips más pequeños, computadoras más rápidas, menos consumo de energía. Se espera que nuevos conceptos basados ​​en nanocables semiconductores hagan que los transistores en circuitos microelectrónicos sean mejores y más eficientes. La movilidad de los electrones juega un papel clave en esto:cuanto más rápido puedan acelerarse los electrones en estos diminutos cables, más rápido podrá cambiar un transistor y menos energía necesitará. Un equipo de investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), la TU Dresden y NaMLab ahora ha logrado demostrar experimentalmente que la movilidad de los electrones en los nanocables mejora notablemente cuando la cubierta coloca el núcleo del cable bajo tensión de tracción. Este fenómeno ofrece nuevas oportunidades para el desarrollo de transistores ultrarrápidos.

Los nanocables tienen una propiedad única:estos cables ultrafinos pueden soportar tensiones elásticas muy altas sin dañar la estructura cristalina del material. Y, sin embargo, los materiales en sí no son inusuales. El arseniuro de galio, por ejemplo, se usa ampliamente en la fabricación industrial y se sabe que tiene una alta movilidad electrónica intrínseca.

La tensión crea velocidad

Para mejorar aún más esta movilidad, los investigadores de Dresde produjeron nanocables que consisten en un núcleo de arseniuro de galio y una cubierta de arseniuro de indio y aluminio. Los diferentes ingredientes químicos dan como resultado que las estructuras cristalinas en la cubierta y el núcleo tengan espaciados reticulares ligeramente diferentes. Esto hace que la cubierta ejerza una gran tensión mecánica sobre el núcleo mucho más delgado. El arseniuro de galio en el núcleo cambia sus propiedades electrónicas. "Influimos en la masa efectiva de electrones en el núcleo. Los electrones se vuelven más livianos, por así decirlo, lo que los hace más móviles", explicó el Dr. Emmanouil Dimakis, científico del Instituto de Física de Haz de Iones e Investigación de Materiales del HZDR e iniciador del estudio publicado recientemente.

Lo que comenzó como una predicción teórica ahora ha sido probado experimentalmente por los investigadores en el estudio publicado recientemente. "Sabíamos que los electrones en el núcleo deberían ser aún más móviles en la estructura cristalina sometida a tensión. Pero lo que no sabíamos era hasta qué punto la cubierta de alambre afectaría la movilidad de los electrones en el núcleo. El núcleo es extremadamente delgado , lo que permite que los electrones interactúen con la capa y sean dispersados ​​por ella", comentó Dimakis. Una serie de mediciones y pruebas demostraron este efecto:a pesar de la interacción con la cubierta, los electrones en el núcleo de los cables bajo investigación se movieron aproximadamente un treinta por ciento más rápido a temperatura ambiente que los electrones en nanocables comparables que estaban libres de tensión o en arseniuro de galio a granel. /P>

Revelando el núcleo

Los investigadores midieron la movilidad de los electrones mediante la aplicación de espectroscopia óptica sin contacto:utilizando un pulso de láser óptico, liberaron electrones dentro del material. Los científicos seleccionaron la energía del pulso de luz de modo que la cubierta parezca prácticamente transparente a la luz y los electrones libres solo se produzcan en el núcleo del cable. Los pulsos posteriores de terahercios de alta frecuencia hicieron que los electrones libres oscilaran. "Prácticamente damos una patada a los electrones y comienzan a oscilar en el cable", explicó el PD Dr. Alexej Pashkin, quien optimizó las mediciones para probar los nanocables de núcleo y cubierta que se están investigando en colaboración con su equipo en el HZDR.

La comparación de los resultados con los modelos revela cómo se mueven los electrones:cuanto mayor sea su velocidad y menos obstáculos encuentren, más durará la oscilación. "Esta es en realidad una técnica estándar. Pero esta vez no medimos todo el cable, que comprende el núcleo y la cubierta, sino solo el pequeño núcleo. Este fue un nuevo desafío para nosotros. El núcleo representa alrededor del uno por ciento del material . En otras palabras, excitamos unas cien veces menos electrones y obtenemos una señal cien veces más débil", afirmó Pashkin.

En consecuencia, la elección de la muestra también fue un paso crítico. Una muestra típica contiene un promedio de alrededor de 20 000 a 100 000 nanocables en una pieza de sustrato que mide aproximadamente un milímetro cuadrado. Si los cables están aún más juntos en la muestra, puede ocurrir un efecto no deseado:los cables vecinos interactúan entre sí, creando una señal similar a la de un solo cable más grueso y distorsionando las mediciones. Si no se detecta este efecto, la velocidad del electrón obtenida es demasiado baja. Para descartar dicha interferencia, el equipo de investigación de Dresde llevó a cabo un modelado adicional, así como una serie de mediciones de nanocables con diferentes densidades.

Prototipos de transistores rápidos

Las tendencias en la microelectrónica y la industria de los semiconductores exigen cada vez más transistores más pequeños que cambien cada vez más rápido. Los expertos anticipan que los nuevos conceptos de nanocables para transistores también harán incursiones en la producción industrial en los próximos años. El desarrollo logrado en Dresde es especialmente prometedor para los transistores ultrarrápidos. El próximo paso de los investigadores será desarrollar los primeros prototipos basados ​​en los nanocables estudiados y probar su idoneidad para su uso. Para ello, pretenden aplicar, probar y potenciar contactos metálicos en los nanohilos, así como probar el dopaje de los nanohilos con silicio y optimizar los procesos de fabricación.

La investigación fue publicada en Nature Communications . + Explora más

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