Cristal de película récord: ¡Movilidad electrónica sin precedentes!

Un material con una alta movilidad electrónica es como una autopista sin tráfico. Cualquier electrón que fluya hacia el material experimenta el sueño de un viajero, recorriendo sin obstáculos ni congestión que les impida o disperse su camino.

Cuanto mayor sea la movilidad electrónica de un material, más eficiente será su conductividad eléctrica, y menos energía se perderá o desperdiciará a medida que los electrones circulen. Los materiales avanzados que exhiben una alta movilidad electrónica serán esenciales para dispositivos electrónicos más eficientes y sostenibles que puedan hacer más trabajo con menos energía.

Ahora, físicos del MIT, el Army Research Lab y otros lugares han logrado un nivel récord de movilidad electrónica en una película delgada de tetradiamita ternaria, una clase de mineral que se encuentra naturalmente en depósitos hidrotermales profundos de oro y cuarzo.

Para este estudio, los científicos hicieron crecer películas ultrafinas puras del material, de una manera que minimizara los defectos en su estructura cristalina. Descubrieron que esta película casi perfecta, mucho más fina que un cabello humano, presenta la movilidad electrónica más alta de su clase.

El equipo pudo estimar la movilidad electrónica del material detectando oscilaciones cuánticas cuando la corriente eléctrica circula a través de él. Estas oscilaciones son una firma del comportamiento mecánico cuántico de los electrones en un material. Los investigadores detectaron un ritmo particular de oscilaciones que es característico de la alta movilidad electrónica, más alta que cualquier película fina ternaria de esta clase hasta la fecha.

“Antes, lo que la gente había logrado en términos de movilidad electrónica en estos sistemas era como el tráfico en una carretera en construcción: estás atascado, no puedes conducir, es polvoriento y es un desastre”, dice Jagadeesh Moodera, un científico investigador sénior en el Departamento de Física del MIT. “En este material recién optimizado, es como conducir por la Mass Pike sin tráfico”.

Los resultados del equipo, que aparecen hoy en la revista Materials Today Physics, apuntan a las películas delgadas de tetradiamita ternaria como un material prometedor para la electrónica del futuro, como dispositivos termoeléctricos portátiles que convierten eficientemente el calor residual en electricidad. (Las tetradiamitas son los materiales activos que causan el efecto de enfriamiento en los refrigeradores termoeléctricos comerciales). El material también podría servir como base para los dispositivos espintrónicos, que procesan la información utilizando el espín de un electrón, utilizando mucha menos energía que los dispositivos convencionales basados en silicio.

El estudio también utiliza las oscilaciones cuánticas como una herramienta altamente efectiva para medir el rendimiento electrónico de un material.

“Estamos utilizando esta oscilación como un kit de prueba rápido”, dice el autor del estudio Hang Chi, un ex científico investigador del MIT que ahora se encuentra en la Universidad de Ottawa. “Al estudiar este delicado baile cuántico de electrones, los científicos pueden comenzar a comprender e identificar nuevos materiales para la próxima generación de tecnologías que impulsarán nuestro mundo”.

Chi y los coautores de Moodera incluyen a Patrick Taylor, ex miembro del MIT Lincoln Laboratory, junto con Owen Vail y Harry Hier del Army Research Lab, y Brandi Wooten y Joseph Heremans de la Universidad Estatal de Ohio.

Bajar el haz

El nombre “tetradiamita” deriva del griego “tetra” para “cuatro” y “diamita”, que significa “gemelo”. Ambos términos describen la estructura cristalina del mineral, que consta de cristales romboédricos que están “gemelados” en grupos de cuatro, es decir, tienen estructuras cristalinas idénticas que comparten un lado.

Las tetradiamitas comprenden combinaciones de bismuto, antimonio telurio, azufre y selenio. En la década de 1950, los científicos descubrieron que las tetradiamitas exhiben propiedades semiconductoras que podrían ser ideales para aplicaciones termoeléctricas: el mineral en su forma cristalina a granel podía convertir pasivamente el calor en electricidad.

Luego, en la década de 1990, la difunta profesora del Instituto Mildred Dresselhaus propuso que las propiedades termoeléctricas del mineral podrían mejorarse significativamente, no en su forma a granel, sino dentro de su superficie microscópica a escala nanométrica, donde las interacciones de los electrones son más pronunciadas. (Heremans pasó a trabajar en el grupo de Dresselhaus en ese momento).

“Quedó claro que cuando miras este material el tiempo suficiente y lo suficientemente cerca, sucederán cosas nuevas”, dice Chi. “Este material fue identificado como un aislante topológico, donde los científicos podían ver fenómenos muy interesantes en su superficie. Pero para seguir descubriendo cosas nuevas, tenemos que dominar el crecimiento del material”.

Para hacer crecer películas delgadas de cristal puro, los investigadores emplearon epitaxia de haz molecular, un método mediante el cual un haz de moléculas se dispara a un sustrato, típicamente en vacío, y con temperaturas controladas con precisión. Cuando las moléculas se depositan en el sustrato, se condensan y se acumulan lentamente, una capa atómica a la vez. Controlando el tiempo y el tipo de moléculas depositadas, los científicos pueden hacer crecer películas cristalinas ultrafinas en configuraciones exactas, con pocos o ningún defecto.

“Normalmente, el bismuto y el telurio pueden intercambiar su posición, lo que crea defectos en el cristal”, explica el coautor Taylor. “El sistema que usamos para hacer crecer estas películas me acompañó desde el MIT Lincoln Laboratory, donde usamos materiales de alta pureza para minimizar las impurezas hasta límites indetectables. Es la herramienta perfecta para explorar esta investigación”.

Flujo libre

El equipo hizo crecer películas delgadas de tetradiamita ternaria, cada una con un grosor de unos 100 nanómetros. Luego, probaron las propiedades electrónicas de la película buscando oscilaciones cuánticas de Shubnikov-de Haas, un fenómeno que fue descubierto por los físicos Lev Shubnikov y Wander de Haas, quienes encontraron que la conductividad eléctrica de un material puede oscilar cuando se expone a un campo magnético intenso a bajas temperaturas. Este efecto se debe a que los electrones del material llenan niveles de energía específicos que cambian a medida que cambia el campo magnético.

Tales oscilaciones cuánticas podrían servir como una firma de la estructura electrónica de un material y las formas en que los electrones se comportan e interactúan. Lo más notable para el equipo del MIT, las oscilaciones podrían determinar la movilidad electrónica de un material: si existen oscilaciones, debe significar que la resistencia eléctrica del material puede cambiar y, por inferencia, los electrones pueden ser móviles y pueden fluir fácilmente.

El equipo buscó signos de oscilaciones cuánticas en sus nuevas películas, exponiéndolas primero a temperaturas ultrafrías y un fuerte campo magnético, luego haciendo pasar una corriente eléctrica a través de la película y midiendo el voltaje a lo largo de su camino, a medida que ajustaban el campo magnético hacia arriba y hacia abajo.

“Resulta que, para nuestra gran alegría y emoción, la resistencia eléctrica del material oscila”, dice Chi. “Inmediatamente, eso te dice que esto tiene una movilidad electrónica muy alta”.

Específicamente, el equipo estima que la película delgada de tetradiamita ternaria exhibe una movilidad electrónica de 10.000 cm²/V-s, la movilidad más alta de cualquier película de tetradiamita ternaria medida hasta la fecha. El equipo sospecha que la movilidad récord de la película tiene algo que ver con sus bajos defectos e impurezas, que pudieron minimizar con sus precisas estrategias de crecimiento. Cuantos menos defectos tenga un material, menos obstáculos encontrará un electrón y más libremente podrá fluir.

“Esto demuestra que es posible ir un paso más allá, controlando adecuadamente estos sistemas complejos”, dice Moodera. “Esto nos dice que vamos en la dirección correcta y que tenemos el sistema adecuado para seguir adelante, para seguir perfeccionando este material hasta películas aún más delgadas y para realizar un acoplamiento de proximidad para su uso en futuros dispositivos espintrónicos y termoeléctricos portátiles”.

Esta investigación fue apoyada en parte por el Army Research Office, la National Science Foundation, la Office of Naval Research, el programa de Cátedras de Investigación de Canadá y el Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá.

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Escrita por Jennifer Chu, MIT News