Defectos del mañana: cómo detectarlos

Los chips de computadora de silicio nos han servido bien durante más de medio siglo. Las características más pequeñas en los chips que se venden actualmente son aproximadamente de 3 nanómetros, un tamaño asombrosamente pequeño dado que un cabello humano tiene aproximadamente 80,000 nanómetros de ancho. Reducir el tamaño de las características en los chips nos ayudará a satisfacer nuestra interminable necesidad de más memoria y potencia de procesamiento en la palma de nuestra mano. Pero el límite de lo que se puede lograr con materiales y procesos estándar está cerca.

Investigadores del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) están aplicando su experiencia en física, química y modelado por computadora para crear la próxima generación de chips de computadora, apuntando a procesos y materiales que producirán chips con características más pequeñas.

“Todos nuestros dispositivos electrónicos existentes utilizan chips hechos de silicio, que es un material tridimensional. Ahora, muchas empresas están invirtiendo mucho en chips hechos de materiales bidimensionales”, dijo Shoaib Khalid, físico investigador asociado en PPPL. Los materiales en realidad existen en tres dimensiones, pero son tan delgados, a menudo formados por solo unas pocas capas de átomos, que los científicos se han acostumbrado a llamarlos 2D.

Khalid, junto con Bharat Medasani de PPPL y Anderson Janotti de la Universidad de Delaware, investigaron un posible reemplazo del silicio: un material 2D conocido como dicolcogenuro de metal de transición (TMD). Su nuevo artículo, publicado en la revista 2D Materials, detalla las variaciones que pueden ocurrir en la estructura atómica de los TMD, por qué suceden y cómo afectan al material. La información sobre estas variaciones sienta las bases para refinar 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 hechos según las especificaciones precisas requeridas para la aplicación.

TMD: un pequeño sándwich de metal

Un TMD puede tener solo tres átomos de alto. Piénsalo como un pequeño sándwich de metal. El pan está hecho de un elemento calcogeno: oxígeno, azufre, selenio o telurio. El relleno es una capa de metal de transición, cualquier metal de los grupos 3 a 12 en la tabla periódica de los elementos.

Un TMD a granel tiene 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. En realidad, se pueden encontrar pequeñas alteraciones en el patrón. Un punto en el patrón puede estar perdiendo un átomo, o un átomo puede encontrarse en una ubicación extraña. Los científicos llaman a estas alteraciones defectos, pero pueden tener un impacto beneficioso en el material.

Algunos defectos de TMD, por ejemplo, pueden hacer que el semiconductor sea más conductor de la electricidad. Bueno o malo, es fundamental que los científicos comprendan por qué suceden los defectos y cómo afectarán al material para que puedan incorporar o eliminar estos 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 un exceso de electrones”, dijo Khalid, y agregó que los investigadores no estaban seguros de por qué estaban presentes estas partículas con carga negativa en exceso. “En este trabajo, explicamos que el exceso de electrones puede ser causado por el hidrógeno”.

Los investigadores llegaron a esta conclusión después de calcular la cantidad de energía que se requeriría para formar diferentes tipos de defectos de TMD. Observaron defectos que involucraban vacantes de calcogeno, que se sabía que estaban presentes en los TMD, y defectos que involucraban hidrógeno porque este elemento a menudo está presente durante el proceso de fabricación de chips. Los investigadores están particularmente interesados en descubrir qué defectos requieren una energía de formación mínima porque estas son las que probablemente ocurran: ¡no se necesita mucha energía para que sucedan!

Luego, el equipo investigó el papel de cada uno de los defectos de baja energía de formación. Específicamente, querían saber cómo cada configuración de defecto podría afectar la carga eléctrica del material. Los investigadores encontraron que una de las configuraciones de defectos que involucran hidrógeno proporciona electrones en exceso, lo que crea material semiconductor con carga negativa, conocido como tipo n. Los chips de computadora están hechos usando combinaciones de material semiconductor tipo n y material con carga positiva, o tipo p.

Echando luz sobre los calcogenos perdidos

El otro tipo de defecto explorado en el artículo se conoce como vacante de calcogeno: un átomo faltante de oxígeno, azufre, selenio o telurio, según el tipo de TMD. Los investigadores se centraron en explicar los resultados de experimentos pasados ​​en escamas del material TMD a granel disulfuro de molibdeno. Los experimentos, que involucraban brillar luz en el TMD, mostraron frecuencias inesperadas de luz provenientes del TMD. Estas frecuencias inesperadas, encontraron los investigadores, podrían explicarse por el movimiento de electrones relacionados con la vacante de calcogeno.

Este modelo muestra el punto donde deberían estar los átomos de calcogeno faltantes, como lo representa el círculo negro en el centro de un patrón de átomos por lo demás imperturbable. Esta vista mira hacia abajo en la capa intermedia del TMD. (Crédito de la imagen: Shoaib Khalid, Bharat Medasani y Anderson Janotti / PPPL y la Universidad de Delaware)

“Este es un defecto común. A menudo se puede ver en las imágenes de los microscopios de efecto túnel cuando cultivan la película de TMD”, dijo Khalid. “Nuestro trabajo proporciona una estrategia para investigar la presencia de estas vacantes en los TMD a granel. Explicamos los resultados experimentales pasados ​​mostrados en el disulfuro de molibdeno y luego predijimos algo similar para otros TMD”.

El proceso sugerido por los investigadores consiste en analizar el TMD en busca de defectos utilizando técnicas de medición llamadas 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 calcogeno. El artículo de la revista incluye información sobre las frecuencias que emitirían cinco tipos de TMD con vacantes de calcogeno, incluido el disulfuro de molibdeno. Por lo tanto, los resultados proporcionan una guía para investigar vacantes de calcogeno en futuros experimentos.

PPPL está dominando el arte de usar plasma, el cuarto estado de la materia, para resolver algunos de los desafíos científicos y tecnológicos más difíciles del mundo. Ubicado en el campus Forrestal de la Universidad de Princeton en Plainsboro, Nueva Jersey, nuestra investigación enciende la innovación en una gama de aplicaciones que incluyen energía de fusión, fabricación a nanoescala, materiales y dispositivos cuánticos y ciencia de la sostenibilidad. La Universidad administra el Laboratorio para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los EE. UU., que es el único partidario más grande de la investigación básica en las ciencias físicas. Siente el calor en y https://www.pppl.gov.