La industria de semiconductores confía en los materiales equivocados
La solución: materiales "cremallera
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Los materiales 2D se consideran una vía prometedora para mejorar los chips informáticos. Los investigadores de TU Wien lo demuestran ahora: algunos de estos materiales son inadecuados debido a un efecto subestimado. Pero hay alternativas.
La miniaturización de los componentes electrónicos ha sido un gran éxito que ha impulsado el progreso tecnológico durante décadas. Ya se está trabajando en la próxima revolución de los chips informáticos: los materiales 2D -capas ultrafinas formadas por sólo una o unas pocas capas atómicas- podrían ser ideales para estructuras electrónicas aún más pequeñas.
Sin embargo, investigadores de la Universidad Técnica de Viena han demostrado que muchos materiales 2D que antes se consideraban muy prometedores son en realidad inadecuados para este fin. No basta con estudiar las propiedades del material en sí, también hay que tener en cuenta los efectos de la interfaz. Cuando los materiales 2D se combinan con una capa aislante, inevitablemente se forma entre ellos un espacio extremadamente fino que degrada drásticamente sus propiedades electrónicas. La buena noticia es que este enfoque también permite a los investigadores identificar qué materiales no se ven afectados por este problema, lo que podría evitar que la industria de los semiconductores invierta miles de millones en tecnologías limitadas fundamentalmente por las leyes de la física.
No es sólo el material, es la interfaz
"Durante muchos años, los investigadores se han sentido fascinados por las extraordinarias propiedades electrónicas de nuevos materiales 2D como el grafeno o el disulfuro de molibdeno", afirma el profesor Mahdi Pourfath, que llevó a cabo la investigación junto con el profesor Tibor Grasser en el Instituto de Microelectrónica de la Universidad Técnica de Viena. "Sin embargo, lo que a menudo se pasa por alto es que un material 2D no basta por sí solo para crear un dispositivo electrónico. También necesitamos una capa aislante, normalmente de óxido. Y aquí es donde las cosas se complican desde el punto de vista de la ciencia de los materiales".
El concepto básico de los transistores utilizados en los chips informáticos es sencillo: la conductividad de un semiconductor -que también puede ser un material 2D ultrafino- puede modularse entre estados conductores y no conductores. La puerta, un electrodo que debe estar separado del material activo por una capa aislante, controla cuál de estos estados se produce.
¡Cuidado con el espacio!
Esta capa aislante debe ser lo más fina posible para permitir un control preciso de los campos eléctricos en el material 2D, lo que posibilita dispositivos extremadamente pequeños y compactos. Sin embargo, cuando estas estructuras se analizan a escala atómica, surge un problema que hasta ahora ha recibido poca atención.
"En muchas combinaciones de materiales 2D y capas aislantes, la unión entre ellas es relativamente débil", explica Grasser. "Se mantienen unidas únicamente por las llamadas fuerzas de Van der Waals, que sólo proporcionan una débil atracción entre el semiconductor y el aislante. Como resultado, las dos capas no entran en contacto, siempre hay un espacio entre ellas".
Este espacio es minúsculo -apenas 0,14 nanómetros, más fino que un átomo de azufre-, pero influye mucho en el rendimiento electrónico. Un virus SARS-CoV-2, por ejemplo, es unas 700 veces mayor. "Este hueco debilita el acoplamiento capacitivo entre las capas. Por muy buenas que sean las propiedades intrínsecas de los materiales, el hueco puede convertirse en el factor limitante. Mientras exista, impone un límite fundamental a la miniaturización de estos dispositivos".
La solución: "Materiales "cremallera
"Si la industria de los semiconductores quiere tener éxito con los materiales 2D, la capa activa y la capa aislante deben diseñarse juntas desde el principio", subraya Mahdi Pourfath. Hay soluciones posibles: los llamados "materiales cremallera" combinan ambos aspectos. El semiconductor y el aislante se entrelazan entre sí, no sólo se conectan vagamente por fuerzas de van der Waals, sino que forman una unión más fuerte que elimina el hueco.
"Nuestro trabajo es una buena noticia para la industria de los semiconductores", afirma Tibor Grasser. "Podemos predecir qué materiales son adecuados para futuros pasos de miniaturización, y cuáles no. Pero si uno se centra sólo en los propios materiales 2D, sin tener en cuenta desde el principio las inevitables capas aislantes, se corre el riesgo de invertir miles de millones en un enfoque que sencillamente no puede tener éxito por razones físicas fundamentales."
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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