Los chips de silicio para computadora nos han servido bien durante más de medio siglo. Las características más pequeñas de los chips que se venden actualmente son de unos 3 nanómetros, un tamaño sorprendentemente pequeño teniendo en cuenta que un cabello humano tiene unos 80.000 nanómetros de ancho. Reducir el tamaño de las funciones de los chips nos ayudará a satisfacer la interminable necesidad de más memoria y potencia de procesamiento en la palma de nuestras manos. Pero hay un límite a lo que se puede lograr con materiales y procesos estándar.
Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma (PPPL) de Princeton del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) están aplicando su experiencia en física, química y modelado por computadora para crear la próxima generación de chips de computadora, destinados a procesos y materiales que producirán chips más pequeños. características.
“Todos nuestros dispositivos electrónicos actuales utilizan chips hechos de silicio, que es un material tridimensional. Ahora, muchas empresas están invirtiendo mucho en chips hechos de materiales bidimensionales”, dijo el físico Shoaib Khalid, investigador asociado. APP. Los materiales en realidad existen en tres dimensiones, pero son tan delgados (a menudo constan de sólo unas pocas capas de átomos) que los científicos los llaman 2D.
Khalid, junto con Bharat Medasani de PPPL y Anderson Genotti de la Universidad de Delaware, investigaron un posible reemplazo del silicio: un material 2D llamado dicalcogenuro de metal de transición (TMD). Su nuevo artículo, publicado en la revista contenido 2DDetalles de las variaciones en la estructura atómica de los TMD, por qué ocurren y cómo afectan a los materiales. La información sobre estas variaciones proporciona la base para optimizar los procesos necesarios para crear chips de computadora de próxima generación. En última instancia, el objetivo es diseñar sistemas de fabricación basados en plasma que puedan crear semiconductores basados en TMD que se adapten a las especificaciones precisas requeridas por la aplicación.
TMD: Un pequeño sándwich de metal
Un TMD puede ser tan delgado como tres átomos. Piense en ello como un mini sándwich de metal. El pan está elaborado a partir de elementos calcógenos: oxígeno, azufre, selenio o telurio. El relleno es una capa de metal de transición, cualquier metal de los grupos 3 al 12 de la tabla periódica de elementos.
Un TMD a granel consta de cinco o más capas de átomos. Los átomos están dispuestos en una estructura cristalina o red. Idealmente, los átomos están organizados en un patrón preciso y consistente en toda la red. De hecho, se pueden encontrar pequeños cambios en el patrón. Es posible que falte un átomo en algún lugar del patrón o que se encuentre en una ubicación extraña. Los científicos llaman a estos cambios defectos, pero pueden tener un efecto beneficioso sobre el material.
Algunos defectos de TMD, por ejemplo, pueden hacer que un semiconductor sea más conductor de electricidad. Bueno o malo, es importante que los científicos comprendan por qué ocurren los defectos y cómo afectan a los materiales para poder agregar o eliminar esos defectos según sea necesario. Comprender los defectos comunes también permite a los investigadores explicar los resultados de experimentos anteriores con TMD.
“Cuando se fabrican TMD a granel, tienen electrones adicionales”, dijo Khalid, y agregó que los investigadores no estaban seguros de por qué estaban allí las partículas extra cargadas negativamente. “En este trabajo explicamos que los electrones sobrantes pueden deberse al hidrógeno”.
Los investigadores llegaron a esta conclusión después de calcular la cantidad de energía que se necesitaría para formar diferentes tipos de defectos TMD. Observaron defectos relacionados con vacantes de calcógeno, previamente presentes en los TMD, y defectos de hidrógeno porque este elemento suele estar presente durante el proceso de fabricación de chips. Los investigadores están particularmente interesados en qué defectos requieren la menor energía de formación porque son los que tienen más probabilidades de ocurrir: ¡no requieren mucha energía para formarse!
A continuación, el equipo investigó el papel de cada uno de los defectos de baja energía de formación. En concreto, querían saber cómo cada configuración de defecto podría afectar a la carga eléctrica del material. Los investigadores descubrieron que una configuración defectuosa que contiene hidrógeno proporciona electrones adicionales, creando un material semiconductor cargado negativamente, conocido como tipo n. Los chips de computadora se fabrican utilizando una combinación de material semiconductor tipo n y material cargado positivamente o tipo p.
Arrojando luz sobre el calcógeno desaparecido
Otro tipo de defecto explorado en el artículo se conoce como vacante de calcógeno: falta un átomo de oxígeno, azufre, selenio o telurio, según el tipo de TMD. Los investigadores se centraron en explicar los resultados de experimentos anteriores con escamas del material a granel TMD disulfuro de molibdeno. Los experimentos, que implicaron iluminar el TMD, revelaron frecuencias de luz inesperadas provenientes del TMD. Los investigadores descubrieron que esta frecuencia inesperada puede explicarse por el movimiento de los electrones en relación con la vacante de calcógeno.
Este modelo muestra dónde deberían estar los átomos de calcógeno faltantes, como lo indica el círculo negro en el centro de un patrón de átomos que de otro modo sería perfecto. Esta vista es visible en la capa media del TMD. (Crédito de la imagen: Shoaib Khalid, Bharat Medasani y Anderson Janotti / PPPL y Universidad de Delaware)
“Este es un defecto común. Cuando cultivan una película de TMD, a menudo pueden verla en imágenes de microscopio de efecto túnel”, dijo Khalid. “Nuestro trabajo proporciona una estrategia para investigar la presencia de estas vacantes en TMD a granel. Explicamos resultados experimentales anteriores que se mostraron en disulfuro de molibdeno, y luego hicimos lo mismo con otros TMD predichos”.
El proceso propuesto por los investigadores implica analizar el TMD en busca de defectos utilizando una técnica de medición llamada fotoluminiscencia para ver qué frecuencias de luz emite el material. La frecuencia máxima de la luz se puede utilizar para determinar las configuraciones electrónicas de los átomos en el TMD y la presencia de defectos de calcógeno. El artículo de la revista incluye información sobre las frecuencias que emitirán cinco tipos de TMD con vacantes de calcógeno, incluido el disulfuro de molibdeno. Por lo tanto, los resultados proporcionan una guía para la investigación de las vacantes de calcógeno en experimentos futuros.
