En un estudio publicado en Nature Materials , científicos de la Universidad de California en Irvine describen un nuevo método para crear cristales muy delgados del elemento bismuto, un proceso que puede ayudar a que la fabricación de productos electrónicos flexibles y baratos se convierta en una realidad cotidiana.
"El bismuto ha fascinado a los científicos durante más de cien años debido a su bajo punto de fusión y sus propiedades electrónicas únicas", dijo Javier Sánchez-Yamagishi, profesor asistente de física y astronomía en UC Irvine y coautor del estudio. "Desarrollamos un nuevo método para fabricar cristales muy finos de materiales como el bismuto y, en el proceso, revelar comportamientos electrónicos ocultos de las superficies del metal".
Las láminas de bismuto que fabricó el equipo tienen sólo unos pocos nanómetros de espesor. Sánchez-Yamagishi explicó cómo los teóricos han predicho que el bismuto contiene estados electrónicos especiales que le permiten volverse magnético cuando la electricidad fluye a través de él, algo esencial para los dispositivos electrónicos cuánticos basados en el giro magnético de los electrones.
Uno de los comportamientos ocultos observados por el equipo son las llamadas oscilaciones cuánticas que se originan en las superficies de los cristales.
"Las oscilaciones cuánticas surgen del movimiento de un electrón en un campo magnético", dijo Laisi Chen, Ph.D. candidato en física y astronomía en UC Irvine y uno de los autores principales del artículo. "Si el electrón puede completar una órbita completa alrededor de un campo magnético, puede exhibir efectos que son importantes para el desempeño de la electrónica. Las oscilaciones cuánticas se descubrieron por primera vez en el bismuto en la década de 1930, pero nunca se han observado en cristales de bismuto de espesor nanométrico. "
Amy Wu, Ph.D. Candidato en física en el laboratorio de Sánchez-Yamagishi, comparó el nuevo método del equipo con una prensa de tortillas. Para fabricar láminas ultrafinas de bismuto, explicó Wu, tuvieron que aplastar el bismuto entre dos placas calientes. Para que las láminas fueran tan planas, tuvieron que utilizar placas de moldeo que son perfectamente lisas a nivel atómico, lo que significa que no hay hendiduras microscópicas ni otras imperfecciones en la superficie.
"Luego hicimos una especie de quesadilla o panini donde el bismuto es el relleno de queso y las tortillas son las superficies atómicamente planas", dijo Wu.
"Hubo un momento de nerviosismo en el que habíamos pasado más de un año fabricando estos hermosos cristales delgados, pero no teníamos idea de si sus propiedades eléctricas serían algo extraordinario", dijo Sánchez-Yamagishi. "Pero cuando enfriamos el dispositivo en nuestro laboratorio, nos sorprendió observar oscilaciones cuánticas que no se habían visto antes en películas delgadas de bismuto."
"La compresión es una técnica de fabricación muy común utilizada para fabricar materiales domésticos comunes, como el papel de aluminio, pero no se usa comúnmente para fabricar materiales electrónicos como los de las computadoras", añadió Sánchez-Yamagishi. "Creemos que nuestro método se generalizará a otros materiales, como el estaño, el selenio, el telurio y aleaciones relacionadas con puntos de fusión bajos, y podría ser interesante explorarlo en futuros circuitos electrónicos flexibles".
A continuación, el equipo quiere explorar otras formas en las que se puedan utilizar los métodos de moldeo por inyección y compresión para fabricar los próximos chips de computadora para teléfonos o tabletas.
"Los nuevos miembros de nuestro equipo aportan ideas interesantes a este proyecto y estamos trabajando en nuevas técnicas para obtener un mayor control sobre la forma y el grosor de los cristales de bismuto cultivados", dijo Chen. "Esto simplificará la forma en que fabricamos dispositivos y nos acercará un paso más a la producción en masa".
El equipo de investigación incluyó colaboradores de UC Irvine, el Laboratorio Nacional de Los Alamos y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.
Más información: Laisi Chen et al, Transporte electrónico excepcional y oscilaciones cuánticas en finos cristales de bismuto cultivados dentro de materiales de van der Waals, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01894-0
Información de la revista: Materiales naturales
Proporcionado por la Universidad de California, Irvine
