05.02.2021 - Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST)

Sintonía fina: ajuste de la composición y las propiedades de las aleaciones semiconductoras 2D

Los científicos logran realizar aleaciones 2D de Si-Ge con propiedades electrónicas sintonizables, lo que nos acerca a un gran avance en la electrónica moderna

Las aleaciones semiconductoras 2D podrían ser la clave para superar las limitaciones técnicas de la electrónica moderna. Aunque las aleaciones 2D Si-Ge tendrían propiedades interesantes para este fin, sólo se predecían 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-Ge puede ajustarse para afinar las propiedades electrónicas de las aleaciones, lo que abre el camino a nuevas aplicaciones.

Las aleaciones -materiales formados por una combinación de diferentes elementos o compuestos- han desempeñado un papel crucial en el desarrollo tecnológico del ser humano desde la Edad de Bronce. En la actualidad, la aleación de materiales con estructuras similares y elementos compatibles es esencial porque permite ajustar las propiedades de la aleación final a nuestras necesidades.

La versatilidad que proporciona 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 bloques de construcción de los dispositivos electrónicos (transistores); en este sentido, las aleaciones de semiconductores bidimensionales (2D) se consideran una opción prometedora para superar las limitaciones técnicas de la electrónica moderna. Desgraciadamente, el grafeno, el material 2D basado en el carbono, no se presta fácilmente a la aleación, lo que lo deja fuera de la ecuación.

Sin embargo, existe una alternativa atractiva: el siliceno. Este material está compuesto en su totalidad por átomos de silicio (Si) dispuestos en una estructura 2D en forma de panal que recuerda al grafeno. Si las propiedades del siliceno pudieran ajustarse según las necesidades, el campo de la nanoelectrónica basada en el silicio 2D despegaría. Aunque en teoría se predijo que la aleación de siliceno con germanio (Ge) daría lugar a estructuras 2D estables con propiedades ajustables por la proporción de Si a Ge, esto nunca se llevó a 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 siliceno y sustituir de forma estable una parte de sus átomos por Ge, lo que permite ajustar algunas de sus propiedades eléctricas.

Su estudio se publica en Physical Review Materials.

En primer lugar, los científicos hicieron crecer una única capa de siliceno 2D sobre una película fina de diboruro de circonio (ZrB2) cultivada sobre un sustrato de silicio mediante la segregación superficial de átomos de Si que cristalizan en una estructura 2D en forma de panal. Sin embargo, esta capa de silicona no era perfectamente plana; una sexta parte de todos los átomos de Si estaban un poco más altos que el resto, formando protuberancias periódicas o "salientes".

A continuación, se depositaron átomos de Ge sobre la capa de siliceno en condiciones de ultravacío. Curiosamente, tanto los cálculos teóricos como las observaciones experimentales mediante microscopía y espectroscopia revelaron que los átomos de Ge sólo podían sustituir a los átomos de Si que sobresalían. Ajustando el número de átomos de Ge depositados, se podía producir una aleación Si-Ge con la proporción deseada de Si a Ge. Así, la composición del material final sería Si6-xGex, donde x puede ser cualquier número entre 0 y 1.

A continuación, el equipo estudió los efectos de esta relación ajustable entre el Si y el Ge en las propiedades electrónicas de la aleación Si-Ge. Descubrieron que su estructura de banda electrónica, una de las características más importantes de un semiconductor, podía ajustarse dentro de un rango específico manipulando la composición del material. Entusiasmado con los resultados, el profesor Antoine Fleurence del JAIST, autor principal del estudio, señala: "El silicio y el germanio son elementos comúnmente utilizados en la industria de los semiconductores, y hemos demostrado que es posible diseñar la estructura de banda de las aleaciones 2D Si-Ge de una forma que recuerda a la de las aleaciones Si-Ge a granel (3D) utilizadas en diversas aplicaciones".

Las implicaciones de este estudio son importantes por múltiples razones. En primer lugar, la máxima delgadez y flexibilidad de los materiales en 2D es atractiva para muchas aplicaciones, ya que significa que podrían integrarse más fácilmente en dispositivos para la vida cotidiana. En segundo lugar, los resultados podrían allanar el camino hacia un gran avance en la electrónica. La coautora del estudio, la profesora Yukiko Yamada-Takamura, del JAIST, explica: "Los materiales semiconductores en 2D hechos de silicio y germanio con un grosor atómicamente preciso podrían reducir 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 sólo algunas de las ventajas de la aleación como forma de producir materiales con propiedades más deseables que las de un solo elemento o compuesto. Esperemos que las aleaciones 2D semiconductoras se sigan perfeccionando para que puedan ser el centro de atención de los dispositivos electrónicos de próxima generación.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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