El silicio congelado imita el Big Bang
Nuevas ideas para fabricar capas sin defectos de materiales semiconductores
Las células solares y los chips informáticos necesitan capas de silicio lo más perfectas posible. Cada imperfección en la estructura cristalina de una oblea de silicio aumenta el riesgo de reducir la eficiencia o de que los procesos de conmutación sean defectuosos. Si se sabe cómo se organizan los átomos de silicio para formar una red cristalina en una superficie fina, se obtienen conocimientos fundamentales para controlar el crecimiento de los cristales. Con este fin, un equipo de investigación del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), la Universidad de Duisburg-Essen y la Universidad canadiense de Alberta analizó el comportamiento del silicio ultracongelado. Los resultados muestran que la velocidad de enfriamiento tiene un gran impacto en la estructura de las superficies de silicio. El mecanismo subyacente también puede haberse producido durante transiciones de fase en el universo primitivo poco después del Big Bang.
A bajas temperaturas, en la superficie del silicio se forman pares de átomos de silicio conocidos como dímeros, que pueden inclinarse a derecha o izquierda como un balancín. Por encima de cierta temperatura crítica -en el caso del silicio, 190 Kelvin (-83 °C)-, los dímeros oscilan entre los dos estados. "Cuando se enfrían por debajo de la temperatura crítica, los dímeros se bloquean en uno de los dos estados", explica el Dr. Gernot Schaller, Director de Tecnología de la Información Cuántica del Instituto de Física Teórica del HZDR. "Esta transición de fase los congela de forma efectiva".
Además, los dímeros individuales se influyen mutuamente. Esta influencia depende de la disposición de los dímeros: el acoplamiento en la dirección transversal es más fuerte que en la longitudinal. "Y es precisamente esta fuerte llamada anisotropía la responsable esencial del comportamiento de los dímeros en la superficie", dice Schaller. "Dependiendo de la velocidad de enfriamiento observamos una transición del comportamiento unidimensional al bidimensional". Unidimensional significa que cuando el enfriamiento es extremadamente rápido, más de 100 Kelvin por microsegundo, los ángulos de inclinación de los dímeros se disponen a lo largo de largas cadenas. Sin embargo, si la temperatura desciende más lentamente, prevalece el comportamiento bidimensional. En este caso, los dímeros de silicio forman superficies más o menos grandes y ordenadas, conocidas como dominios, caracterizadas por una estructura de panal uniforme. "Y cuanto más lento es el enfriamiento, más grandes son los dominios", explica Schaller.
Para calcular la estructura de la superficie cristalina, los investigadores emplearon el llamado modelo de Ising. Este modelo matemático tiene en cuenta los ángulos de inclinación de los dímeros de silicio, que sólo pueden asumir uno de dos estados posibles. Esta elegante descripción de una transición de fase durante el enfriamiento rápido de las superficies de silicio gracias al modelo Ising anisótropo no es sólo pura teoría. Los investigadores también compararon sus cálculos analíticos y numéricos con datos experimentales.
Cadenas en panal y en zigzag
Las imágenes de alta resolución obtenidas con el microscopio de túnel de barrido de las superficies de silicio congeladas por flash revelan estructuras que se corresponden con las simulaciones. Se observan tanto estructuras bidimensionales en forma de panal como límites unidimensionales nítidos entre cadenas en forma de zigzag. "Y nuestros colegas de la Universidad de Duisburg-Essen están planeando nuevos experimentos que podrían confirmar el impacto de la velocidad de enfriamiento en la estructura de la superficie de silicio, en analogía con nuestras simulaciones", afirma el profesor Ralf Schützhold, director del Instituto de Física Teórica del HZDR.
Los resultados no sólo generan nuevas ideas para la fabricación a medida de superficies de silicio sin defectos, "el modo en que se comportan los dímeros de silicio presenta paralelismos con el llamado mecanismo Kibble-Zurek", afirma Schützhold. Llamado así por los físicos teóricos Tom Kibble y Wojciech H. Zurek, este modelo teórico describe cómo se forman los defectos topológicos, es decir, las imperfecciones en una estructura ordenada, durante las transiciones rápidas de fase. Kibble estudió los procesos que tienen lugar durante el enfriamiento del joven universo que siguió al Big Bang. Los defectos topológicos, como los monopolos puntuales o los defectos lineales -las cuerdas cósmicas-, podrían haberse creado de este modo. Zurek predijo un comportamiento análogo en la materia condensada utilizando el ejemplo del helio superfluido criogénico. Y ahora, el equipo de Schaller y Schützhold ha demostrado que el mecanismo Kibble-Zurek está aparentemente mucho más extendido de lo que se esperaba en un principio y puede darse incluso en superficies de silicio ultracongeladas.
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