La gran mayoría de los dispositivos informáticos actuales están fabricados con silicio, el segundo elemento más abundante de la Tierra, después del oxígeno. El silicio se encuentra en diversas formas en las rocas, la arcilla, la arena y el suelo. Aunque no es el mejor material semiconductor que existe en el planeta, es, con diferencia, el más disponible. Por ello, el silicio es el material predominante en la mayoría de los dispositivos electrónicos, incluidos los sensores, las células solares y los circuitos integrados de nuestros ordenadores y teléfonos inteligentes.
Ahora, ingenieros del MIT han desarrollado una técnica para fabricar películas semiconductoras ultrafinas con diversos materiales exóticos distintos del silicio. Para demostrar su técnica, los investigadores fabricaron películas flexibles de arseniuro de galio, nitruro de galio y fluoruro de litio, materiales que ofrecen un rendimiento superior al del silicio, pero que hasta ahora resultaba prohibitivamente caro utilizar en dispositivos funcionales.
Según los investigadores, la nueva técnica ofrece un método rentable para fabricar electrónica flexible con cualquier combinación de elementos semiconductores, capaz de superar el rendimiento de los dispositivos actuales basados en silicio.
«Hemos abierto una vía para fabricar electrónica flexible con muchos sistemas de materiales distintos del silicio», afirma Jeehwan Kim, profesor asociado de desarrollo profesional de la promoción de 1947 en los departamentos de Ingeniería Mecánica y Ciencia e Ingeniería de Materiales. Kim prevé que la técnica pueda utilizarse para fabricar dispositivos económicos y de alto rendimiento, como células solares flexibles y ordenadores y sensores ponibles.
Los detalles de la nueva técnica se publican hoy en Nature Materials. Además de Kim, entre los coautores del MIT del artículo figuran Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Richard Molnar, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Yang Shao-Horn y Jeffrey Grossman, junto con investigadores de la Universidad Sun Yat-Sen, la Universidad de Virginia, la Universidad de Texas en Dallas, el Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos, la Universidad Estatal de Ohio y Georgia Tech.
Ahora lo ves, ahora no
En 2017, Kim y sus colegas idearon un método para producir «copias» de materiales semiconductores costosos utilizando grafeno: una lámina de átomos de carbono de grosor atómico dispuestos en un patrón hexagonal, como una malla de gallinero. Descubrieron que, al colocar grafeno sobre una oblea pura y costosa de material semiconductor, como el arseniuro de galio, y hacer pasar después átomos de galio y arsénico sobre el conjunto, estos parecían interactuar de algún modo con la capa atómica subyacente, como si el grafeno intermedio fuera invisible o transparente. Como resultado, los átomos se ensamblaban siguiendo el patrón monocristalino exacto de la oblea semiconductora subyacente y formaban una copia exacta que luego podía desprenderse fácilmente de la capa de grafeno.
La técnica, que denominan «epitaxia remota», ofrecía una forma asequible de fabricar múltiples películas de arseniuro de galio utilizando una sola oblea subyacente costosa.
Poco después de que publicaran sus primeros resultados, el equipo se preguntó si su técnica podría servir para copiar otros materiales semiconductores. Intentaron aplicar la epitaxia remota al silicio y también al germanio —dos semiconductores económicos—, pero descubrieron que, al hacer pasar esos átomos sobre el grafeno, no interactuaban con sus respectivas capas subyacentes. Era como si el grafeno, antes transparente, se hubiera vuelto de repente opaco e impidiera que los átomos de silicio y germanio «vieran» los átomos del otro lado.
Resulta que el silicio y el germanio son dos elementos del mismo grupo de la tabla periódica. En concreto, ambos pertenecen al grupo cuatro, una clase de materiales eléctricamente neutros, es decir, sin polaridad.
«Esto nos dio una pista», afirma Kim.
El equipo razonó que quizá los átomos solo pueden interactuar entre sí a través del grafeno si tienen cierta carga iónica. Por ejemplo, en el arseniuro de galio, el galio tiene una carga negativa en la interfaz, mientras que el arsénico tiene una carga positiva. Esta diferencia de carga, o polaridad, podría haber ayudado a los átomos a interactuar a través del grafeno como si este fuera transparente y a copiar el patrón atómico subyacente.
«Descubrimos que la interacción a través del grafeno está determinada por la polaridad de los átomos. En los materiales con los enlaces iónicos más fuertes, estos interactúan incluso a través de tres capas de grafeno», afirma Kim. «Es parecido a cómo dos imanes pueden atraerse incluso a través de una fina hoja de papel».
Los polos opuestos se atraen
Los investigadores pusieron a prueba su hipótesis utilizando la epitaxia remota para copiar materiales semiconductores con distintos grados de polaridad: desde el silicio y el germanio neutros hasta el arseniuro de galio ligeramente polarizado y, por último, el fluoruro de litio, muy polarizado y mejor semiconductor que el silicio, aunque más caro.
Descubrieron que cuanto mayor era el grado de polaridad, más fuerte era la interacción atómica, incluso, en algunos casos, a través de varias láminas de grafeno. Todas las películas que lograron producir eran flexibles y tenían apenas entre decenas y cientos de nanómetros de grosor.
El equipo también descubrió que importa el material a través del cual interactúan los átomos. Además del grafeno, experimentaron con una capa intermedia de nitruro de boro hexagonal (hBN), un material cuyo patrón atómico se parece al del grafeno y que tiene una propiedad similar a la del teflón, lo que permite desprender fácilmente los materiales superpuestos una vez copiados.
Sin embargo, el hBN está compuesto por átomos de boro y nitrógeno con cargas opuestas, que generan polaridad en el propio material. En sus experimentos, los investigadores descubrieron que los átomos que pasaban sobre el hBN no podían interactuar por completo con las obleas subyacentes, ni siquiera si ellos mismos estaban muy polarizados. Esto sugiere que la polaridad tanto de los átomos estudiados como del material intermedio determina si los átomos interactuarán y formarán una copia de la oblea semiconductora original.
«Ahora entendemos de verdad que existen reglas para la interacción atómica a través del grafeno», afirma Kim.
Con este nuevo conocimiento, explica, los investigadores pueden consultar la tabla periódica y elegir dos elementos con cargas opuestas. Una vez que adquieran o fabriquen una oblea principal compuesta por esos mismos elementos, podrán aplicar las técnicas de epitaxia remota del equipo para fabricar varias copias exactas de la oblea original.
«La mayoría de la gente ha utilizado obleas de silicio porque son baratas», afirma Kim.
«Ahora, nuestro método abre una vía para utilizar materiales sin silicio de mayor rendimiento. Basta con comprar una oblea costosa, copiarla una y otra vez y seguir reutilizándola. Y ahora el catálogo de materiales para esta técnica se ha ampliado por completo».
Kim prevé que la epitaxia remota pueda utilizarse para fabricar películas ultrafinas y flexibles de una gran variedad de materiales semiconductores que antes se consideraban exóticos, siempre que estén compuestos por átomos con cierto grado de polaridad. Estas películas ultrafinas podrían apilarse para producir dispositivos diminutos, flexibles y multifuncionales, como sensores ponibles, células solares flexibles e incluso, en un futuro lejano, «teléfonos móviles que se adhieran a la piel».
«En las ciudades inteligentes, donde quizá queramos instalar pequeños ordenadores por todas partes, necesitaríamos dispositivos de computación y detección de bajo consumo y alta sensibilidad, fabricados con mejores materiales», afirma Kim. «Este [estudio] abre el camino para desarrollar esos dispositivos».
Esta investigación recibió financiación parcial de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa, el Departamento de Energía, el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, LG Electronics, Amore Pacific, LAM Research y Analog Devices.
