Los paneles solares, las cámaras, los biosensores y la fibra óptica son tecnologías que se basan en fotodetectores o sensores que convierten la luz en electricidad. Los fotodetectores son cada vez más eficientes y asequibles, y los chips semiconductores que los componen están disminuyendo de tamaño. Sin embargo, esta miniaturización está superando los límites establecidos por los materiales y métodos de fabricación actuales, lo que obliga a hacer concesiones entre tamaño y rendimiento.

Hay muchas limitaciones del proceso tradicional de fabricación de chips semiconductores. Los chips se crean haciendo crecer la película semiconductora sobre la parte superior de una oblea de manera que la estructura cristalina de la película esté alineada con la de la oblea de sustrato. Esto dificulta la transferencia de la película a otros materiales de sustrato, lo que reduce su aplicabilidad.

Además, el método actual de transferir y apilar estas películas se realiza mediante exfoliación mecánica, un proceso en el que un trozo de cinta retira la película semiconductora y luego la transfiere a un nuevo sustrato, capa por capa. Este proceso da como resultado múltiples capas no uniformes apiladas unas sobre otras con las imperfecciones de cada capa acumuladas en el conjunto. Este proceso afecta la calidad del producto y limita la reproducibilidad y escalabilidad de estos chips.

Por último, ciertos materiales no funcionan bien como capas extremadamente delgadas. El silicio sigue siendo omnipresente como el material de elección para los chips semiconductores, sin embargo, cuanto más delgado se vuelve, peor se comporta como estructura fotónica, por lo que no es ideal en los fotodetectores. Otros materiales que funcionan mejor que el silicio como capas extremadamente delgadas aún requieren un cierto grosor para interactuar con la luz, lo que plantea el desafío de identificar materiales fotónicos óptimos y su grosor crítico para operar en chips semiconductores fotodetectores.

La fabricación de películas semiconductoras fotónicas uniformes, extremadamente delgadas y de alta calidad de un material que no sea de silicio haría que los chips semiconductores fueran más eficientes, aplicables y escalables.

Penn Engineers Deep Jariwala, profesor asistente de ingeniería eléctrica y de sistemas, y Pawan Kumar y Jason Lynch, becario postdoctoral y estudiante de doctorado en su laboratorio, dirigieron un estudio publicado en Nature Nanotechnology que tenía como objetivo hacer precisamente eso. Eric Stach, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales, junto con su postdoctorado Surendra Anantharaman, el estudiante de doctorado Huiqin Zhang y el estudiante de pregrado Francisco Barrera también contribuyeron a este trabajo. El estudio colaborativo también incluyó a investigadores de Penn State, AIXTRON, UCLA, el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea y el Laboratorio Nacional de Brookhaven, y fue financiado principalmente por el Laboratorio de Investigación del Ejército. Su artículo describe un nuevo método de fabricación de superredes atómicamente delgadas, o películas semiconductoras, que son altamente emisivas de luz.

Los materiales de un átomo de espesor generalmente toman la forma de una red o una capa de átomos alineados geométricamente que forman un patrón específico para cada material. Una superred se compone de redes de diferentes materiales apiladas unas sobre otras. Las superredes tienen propiedades ópticas, químicas y físicas completamente nuevas que las hacen adaptables para aplicaciones específicas como la fotoóptica y otros sensores.

El equipo de Penn Engineering creó una superred, de cinco átomos de espesor, de tungsteno y azufre (WS2).

"Después de dos años de investigación usando simulaciones que nos informaron cómo la superred interactuaría con el medio ambiente, estábamos listos para construir la superred de manera experimental", dice Kumar. "Because traditional superlattices are grown on a desired substrate directly, they tend to be millions of atoms thick, and difficult to transfer to other material substrates. We collaborated with industry partners to ensure that our atomically thin superlattices were grown to be scalable and applicable to many different materials."

They grew monolayers of atoms, or lattices, on a two-inch wafer and then dissolved the substrate, which allows the lattice to be transferred to any desired material, in their case, sapphire. Additionally, their lattice was created with repeating units of atoms aligned in one direction to make the superlattice two-dimensional, compact and efficient.

"Our design is scalable as well," says Lynch. "We were able to create a superlattice with a surface area measured in centimeters with our method, which is a major improvement compared to the micron scale of silicon superlattices currently being produced. This scalability is possible due to uniform thickness in our superlattices, which makes the manufacturing process simple and repeatable. Scalability is important to be able to place our superlattices on the industry-standard, four-inch chips."

Their superlattice design is not only extremely thin, making it lightweight and cost effective, it can also emit light, not just detect it.

"We are using a new type of structure in our superlattices that involves exciton-polaritons, which are quasi-state particles made of half matter and half light," says Lynch. "Light is very hard to control, but we can control matter, and we found that by manipulating the shape of the superlattice, we could indirectly control light emitted from it. This means our superlattice can be a light source. This technology has the potential to significantly improve lidar systems in self-driving cars, facial recognition and computer vision."

Being able to both emit and detect light with the same material opens the door for more complicated applications.

"One current technology that I can see our superlattice being used for is in integrated photonic computer chips which are powered by light," says Lynch. "Light moves faster than electrons, so a chip powered by light will increase computing speed, making the process more efficient, but the challenge has been finding a light source that can power the chip. Our superlattice may be a solution there."

Applications for this new technology are diverse and will likely include high-tech robotics, rockets and lasers. Because of the wide range of applications for these superlattices, the scalability is very important.

"Our superlattices are made with a general, non-sophisticated process that does not require multiple steps in a clean room, allowing the process to be repeated easily," says Kumar. "Additionally, the design is applicable to many different types of materials, allowing for adaptability."

"In the tech world, there is a constant evolution of things moving toward the nanoscale," he says. "We will definitely be seeing a thinning down of microchips and the structures that make them, and our work in the two-dimensional material is part of this evolution."

"Of course, as we thin things down and make technology smaller and smaller, we start to interact with quantum mechanics and that's when we see interesting and unexpected phenomena occur," says Lynch. "I am very excited to be a part of a team bringing quantum mechanics into high-impact technology." + Explora más

Researchers engineer magnetic complexity into atomically thin magnets