Uno de los desafíos de meter componentes electrónicos más inteligentes y potentes en dispositivos cada vez más pequeños es desarrollar herramientas y técnicas para analizar los materiales que los hacen cada vez más íntimos.
Los físicos de la Universidad Estatal de Michigan han dado un paso adelante tan esperado en este frente con un enfoque que combina microscopía de alta resolución con láseres ultrarrápidos.
La técnica, descrita en la revista Nature Photonics, permite a los investigadores localizar átomos inadaptados en semiconductores con una precisión sin precedentes. La física de semiconductores etiqueta estos átomos como “defectos”, lo que suena negativo, pero generalmente se agregan intencionalmente a los materiales y son fundamentales para el rendimiento de los semiconductores en los dispositivos de hoy y del mañana.
“Esto es particularmente relevante para componentes con estructuras a nanoescala”, dijo Tyler Coker, catedrático de Física Experimental Jerry Cowan y líder del nuevo estudio.
Esto incluye cosas como chips de computadora, que habitualmente utilizan semiconductores con propiedades a nanoescala. Y los investigadores están trabajando para llevar la arquitectura a nanoescala a extremos mediante la ingeniería de materiales que tengan un átomo de espesor.
“Estos materiales nanoscópicos son el futuro de los semiconductores”, dijo Coker, quien también dirige el Laboratorio de Nanoscopía Ultrarrápida de Terahercios en el Departamento de Física y Astronomía de MSU. “Cuando tienes electrónica a nanoescala, es muy importante asegurarte de que los electrones puedan moverse de la manera que tú quieras”.
Los defectos desempeñan un papel importante en este movimiento de electrones, por lo que científicos como Coker quieren saber dónde se encuentran y cómo se comportan. Los colegas de Cocker están entusiasmados de saber que la nueva técnica de su equipo les permitirá obtener esta información fácilmente.
“Uno de mis compañeros de equipo dijo: ‘Espero que hayas salido y celebrado'”, dijo Cocker.
Vedran Jelik, quien dirigió el proyecto como investigador postdoctoral en el grupo de Cocker y ahora trabaja en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá, es el primer autor del nuevo informe. El equipo de investigación incluyó a los estudiantes de doctorado Stephanie Adams, Eve Amerman y Muhammad Hassan, así como al investigador universitario Kaydon Cleland-Host.
Cocker añadió que la técnica es sencilla de implementar con el equipo adecuado y su equipo ya la está aplicando a materiales atómicamente delgados como las nanocintas de grafeno.
“Tenemos muchos proyectos abiertos en los que utilizamos técnicas con más materiales y materiales más exóticos”, dijo Cocker. “Básicamente lo estamos integrando en todo lo que hacemos y usándolo como una técnica estándar”.
Un ligero (casi) toque
Ya existen herramientas, en particular microscopios de túnel o escaneo STM, que pueden ayudar a los científicos a identificar defectos de un solo átomo.
A diferencia de los microscopios que muchos reconocerán de las clases de ciencias de la escuela secundaria, los STM no utilizan lentes ni bombillas para ampliar los objetos. Más bien, los STM escanean la superficie de la muestra utilizando una punta atómicamente afilada, muy parecida al lápiz óptico de un tocadiscos.
Pero la punta del STM no toca la superficie de la muestra, simplemente se acerca lo suficiente como para que los electrones puedan saltar, o formar un túnel, entre la punta y la muestra.
Los STM registran cuántos electrones saltan y dónde saltan, entre otra información, para proporcionar información a escala atómica sobre las muestras (de ahí que el laboratorio de Cocker lo llame nanoscopia en lugar de microscopía).
Pero los datos STM por sí solos no siempre son suficientes para resolver claramente los defectos dentro de una muestra, particularmente en el arseniuro de galio, un importante material semiconductor utilizado en sistemas de radar, células solares de alta eficiencia y equipos de telecomunicaciones avanzados.
Para su última publicación, Cocker y su equipo se centraron en muestras de arseniuro de galio a las que se les infundieron deliberadamente átomos defectuosos de silicio para estudiar cómo se mueven los electrones a través del semiconductor.
“Un átomo de silicio básicamente parece un pozo profundo para los electrones”, dijo Cocker.
Aunque los teóricos han estado estudiando este tipo de desorden durante décadas, los experimentadores hasta ahora no han podido detectar directamente estos átomos individuales.
La nueva técnica de Cocker y su equipo todavía utiliza un STM, pero los investigadores también hacen brillar pulsos láser en la punta del STM.
Estos pulsos consisten en ondas de luz con frecuencias de terahercios, lo que significa que rebotan hacia arriba y hacia abajo billones de veces por segundo. Recientemente, los teóricos han demostrado que ésta es la frecuencia con la que los defectos del átomo de silicio deben rebotar hacia adelante y hacia atrás a lo largo de una muestra de arseniuro de galio.
Combinando STM y luz de terahercios, el equipo de MSU creó una sonda con una sensibilidad sin precedentes a los defectos.
Cuando la punta del STM encontró un defecto de silicio en la superficie del arseniuro de galio, apareció una señal repentina e intensa en los datos de medición del equipo. Cuando los investigadores alejaron la punta un átomo del defecto, la señal desapareció.
“Ese era el defecto que la gente había estado buscando durante cuarenta años y pudimos verlo sonar como una campana”, dijo Cocker.
“Al principio era difícil de creer porque es muy diferente”, continuó. “Tuvimos que medirlo en todos los sentidos para asegurarnos de que fuera real”.
Sin embargo, una vez que estuvieron seguros de que la señal era real, fue fácil de explicar gracias a años de teoría dedicados al tema.
“Cuando descubres algo como esto, es realmente útil cuando ya hay décadas de investigación teórica que lo explican bien”, dijo Jelik, quien, junto con Joe Cocker, escribió el nuevo artículo. También hay un autor correspondiente.
Aunque el laboratorio de Cocker está a la vanguardia en este campo, actualmente existen grupos en todo el mundo que combinan STM y luz de terahercios. Hay muchos otros materiales que pueden beneficiarse de esta técnica para aplicaciones distintas a la detección de defectos.
Ahora que su equipo ha compartido su visión con la comunidad, Cocker está emocionado de ver qué otros descubrimientos le esperan.
El proyecto contó con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación del Ejército y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
