A lo largo de las décadas, los componentes electrónicos más pequeños y potentes han dado lugar a importantes avances tecnológicos. Ahora los científicos están buscando el próximo avance en el diseño de chips de computadora, y muchos investigadores creen que los materiales 2D pueden desempeñar un papel clave. Estos materiales ultrafinos, fabricados a partir de una o unas pocas capas atómicas, se han considerado candidatos prometedores para fabricar dispositivos electrónicos aún más pequeños.
Pero una nueva investigación de TU Viena sugiere que es posible que muchos de estos componentes no funcionen como se esperaba en la tecnología de chips del mundo real. El problema no es sólo el material en sí. Los científicos han descubierto que cuando los materiales 2D se combinan con las capas aislantes necesarias para los dispositivos electrónicos, se forma entre ellos una inevitable brecha a escala atómica. Esta pequeña separación puede reducir significativamente el rendimiento y crear una barrera fundamental para una mayor miniaturización.
Los hallazgos podrían ayudar a la industria de los semiconductores a evitar gastar miles de millones de dólares en métodos que no pueden superar estas limitaciones físicas.
Por qué las interfaces son importantes en la electrónica 2D
“Durante muchos años, los investigadores han estado fascinados, con razón, por las extraordinarias propiedades electrónicas de nuevos materiales como el grafeno o el disulfuro de molibdeno”, afirma el profesor Mahdi Purfath, que dirigió 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 por sí solo no constituye un dispositivo electrónico. También necesitamos una capa aislante, normalmente un óxido. Y ahí es donde las cosas se complican más desde la perspectiva de la ciencia de los materiales”.
Los transistores modernos funcionan cambiando un semiconductor entre estados conductores y no conductores. En futuros chips, ese semiconductor podría ser un material 2D ultrafino. El proceso está controlado por un electrodo de puerta, que debe estar separado del material activo por una capa aislante.
Para mantener los dispositivos lo más pequeños y eficientes posible, la capa aislante debe ser extremadamente delgada. Sin embargo, el equipo de TU Wien descubrió que esto plantea un problema importante a escala atómica.
Las pequeñas brechas crean un gran problema
“En muchas combinaciones de materiales 2D y capas aislantes, la unión entre ellos es relativamente débil”, explica Grasser. “Sólo se mantienen unidas gracias a 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 estrecho contacto, siempre hay un espacio entre ellas”.
Esta brecha mide sólo 0,14 nanómetros, lo que la hace más delgada que un solo átomo de azufre. Sin embargo, tiene un efecto dramático sobre el comportamiento electrónico. En perspectiva, un virus SARS-CoV-2 es aproximadamente 700 veces más grande.
“Esta brecha debilita el acoplamiento capacitivo entre las capas. No importa cuán buenas sean las propiedades subyacentes del material, la brecha puede convertirse en el factor limitante. Mientras exista, impone un límite fundamental sobre hasta qué punto estos dispositivos pueden miniaturizarse”.
Según los investigadores, muchos estudios se han centrado demasiado en las impresionantes propiedades de los materiales 2D y prestan menos atención a las interfaces formadas dentro de todo el dispositivo. Su trabajo muestra que estas interfaces pueden determinar en última instancia si las futuras tecnologías de chips tendrán éxito o fracasarán.
El “contenido de cremallera” puede ofrecer una solución
“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 Purfath.
Una posible respuesta es el uso de los llamados “materiales de cremallera”. En estos sistemas, el semiconductor y la capa aislante se unen mucho más estrechamente, en lugar de sueltamente, mediante fuerzas de van der Waals. Esta estrecha conexión elimina los espacios problemáticos.
“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 nos centramos sólo en materiales 2D sin considerar las inevitables capas aislantes desde el principio, corremos el riesgo de invertir miles de millones en un método que puede no tener éxito por razones físicas fundamentales”.
