A medida que los chips de computadora basados en silicio se acercan a sus limitaciones físicas en la búsqueda de diseños más rápidos y más pequeños, la búsqueda de materiales alternativos que sigan siendo funcionales a escalas atómicas es uno de los mayores desafíos de la ciencia.
En un desarrollo innovador, investigadores del Clúster de Excelencia de Würzburg-Dresden han diseñado una película protectora que protege las capas de semiconductores cuánticos de solo un átomo de espesor de las influencias ambientales sin comprometer sus revolucionarias propiedades cuánticas. Esto pone al alcance de la realidad la aplicación de estas delicadas capas atómicas en componentes electrónicos ultrafinos. Los hallazgos han sido publicados en Nature Communications. .
La carrera por crear chips informáticos cada vez más rápidos y potentes continúa a medida que los transistores, sus componentes fundamentales, se reducen a tamaños cada vez más pequeños y compactos. En unos pocos años, estos transistores medirán sólo unos pocos átomos de ancho, momento en el cual la miniaturización de la tecnología de silicio utilizada actualmente habrá alcanzado sus límites físicos. En consecuencia, la búsqueda de materiales alternativos con propiedades completamente nuevas es crucial para futuros avances tecnológicos.
En 2021, los científicos del Grupo de Excelencia ct.qmat (Complejidad y Topología de la Materia Cuántica) de las universidades JMU Würzburg y TU Dresden hicieron un descubrimiento significativo:materiales cuánticos topológicos como el indeneno, que son muy prometedores para la electrónica ultrarrápida y energéticamente eficiente. . Los semiconductores cuánticos resultantes, extremadamente delgados, están compuestos de una sola capa atómica (en el caso del indeneno, átomos de indio) y actúan como aislantes topológicos, conduciendo la electricidad prácticamente sin resistencia a lo largo de sus bordes.
"Producir una capa atómica única requiere equipos de vacío sofisticados y un material de sustrato específico. Para utilizar este material bidimensional en componentes electrónicos, sería necesario retirarlo del ambiente de vacío. Sin embargo, la exposición al aire, aunque sea brevemente, conduce a oxidación, lo que destruye sus propiedades revolucionarias y lo vuelve inútil", explica el físico experimental profesor Ralph Claessen, portavoz de ct.qmat en Würzburg.
"Dedicamos dos años a encontrar un método para proteger la sensible capa de indeneno de los elementos ambientales mediante una capa protectora. El desafío era garantizar que esta capa no interactuara con la capa de indeneno", explica Cedric Schmitt, uno de los estudiantes de doctorado de Claessen involucrados en el proyecto.
Esta interacción es problemática porque cuando se encuentran diferentes tipos de átomos (de la capa protectora y del semiconductor, por ejemplo), reaccionan químicamente a nivel atómico, cambiando el material. Esto no es un problema con los chips de silicio convencionales, que comprenden múltiples capas atómicas, lo que deja suficientes capas sin afectar y, por lo tanto, aún funcionales.
"Un material semiconductor formado por una única capa atómica, como el indeneno, normalmente se vería afectado por una película protectora. Esto planteaba un desafío aparentemente insuperable que despertó nuestra curiosidad investigadora", afirma Claessen. La búsqueda de una capa protectora viable los llevó a explorar los materiales de van der Waals, que llevan el nombre del físico holandés Johannes Diderik van der Waals (1837-1923).
Claessen explica:"Estas capas atómicas bidimensionales de Van der Waals se caracterizan por fuertes enlaces internos entre sus átomos, mientras que sólo se unen débilmente al sustrato. Este concepto es similar a cómo la punta de un lápiz hecha de grafito, una forma de carbono con átomos dispuestos en capas de panal:escribe en papel. Las capas de grafeno se pueden separar fácilmente. Nuestro objetivo era replicar esta característica".
Utilizando sofisticados equipos de vacío ultraalto, el equipo de Würzburg experimentó calentando carburo de silicio (SiC) como sustrato para el indeneno, explorando las condiciones necesarias para formar grafeno a partir de él. "El carburo de silicio se compone de átomos de silicio y de carbono. Al calentarlo, los átomos de carbono se desprenden de la superficie y se forma grafeno", afirma Schmitt. "A continuación depositamos átomos de indio al vapor, que se sumergen entre la capa protectora de grafeno y el sustrato de carburo de silicio. Así se formó la capa protectora para nuestro material cuántico bidimensional, indeneno."
Por primera vez a nivel mundial, Claessen y su equipo en la sucursal de ct.qmat en Würzburg crearon con éxito una capa protectora funcional para un material semiconductor cuántico bidimensional sin comprometer sus extraordinarias propiedades cuánticas. Después de analizar el proceso de fabricación, probaron exhaustivamente las capacidades protectoras de la capa contra la oxidación y la corrosión. "¡Funciona! La muestra puede incluso exponerse al agua sin verse afectada en modo alguno", afirma Claessen con alegría. "La capa de grafeno actúa como un paraguas para nuestro indeneno."
Este avance allana el camino para aplicaciones que involucran capas atómicas semiconductoras altamente sensibles. La fabricación de componentes electrónicos ultrafinos requiere su procesamiento en aire u otros entornos químicos. Esto ha sido posible gracias al descubrimiento de este mecanismo protector.
El equipo de Würzburg se centra ahora en identificar más materiales de Van der Waals que puedan servir como capas protectoras, y ya tienen algunas perspectivas en mente. El inconveniente es que, a pesar de la protección eficaz del grafeno de las monocapas atómicas contra factores ambientales, su conductividad eléctrica plantea un riesgo de cortocircuitos. Los científicos de Würzburg trabajan para superar estos desafíos y crear las condiciones para la electrónica de capas atómicas del mañana.
Más información: Cedric Schmitt et al, Lograr la estabilidad ambiental en un aislante Hall de espín cuántico atómicamente delgado mediante la intercalación de grafeno, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45816-9
Proporcionado por Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat
