Crean un material 100 veces máis delgado que un cabelo que permitiría fabricar chips cuánticos perfectos

Hai materiais que non se ven a primeira ollada, pero que poden transformar por completo os dispositivos que usamos cada día. Un deles é o disulfuro de molibdeno (MOS₂), un cristal bidimensional co grosor dun só átomo. Aínda que xa se sabía que este material tiña propiedades electrónicas prometedoras, a súa integración en circuítos reais a gran escala seguía sendo un reto técnico difícil de superar. Ata o de agora.

Un grupo de investigadores surcoreanos logrou un avance que podería marcar un antes e un despois na fabricación de chips: desenvolveron unha estratexia que permite cultivar capas de MOS₂ sen erros nin imperfeccións en superficies do tamaño dunha oblea de silicio. Publicárono na revista Nature Electronics, e os resultados non só destacan pola súa calidade técnica, senón por abrir a porta a unha electrónica cuántica máis estable, máis pequena e máis eficiente.

O MOS₂ pertence a unha familia de materiais coñecidos como dicloruros de metais de transición, que na súa forma máis delgada poden reducirse a unha soa capa atómica. Estas capas teñen propiedades electrónicas únicas, entre elas a capacidade de conducir electricidade de forma controlada, algo esencial na fabricación de transistores.

Ademais, a diferenza do grafeno, o MOS₂ ten unha estrutura de banda cun “gap” (unha separación enerxética entre os niveis ocupados e os baleiros), o que lle permite funcionar como un verdadeiro semicondutor. Isto significa que pode acenderse ou apagarse como un interruptor, unha calidade crave para os circuítos lóxicos que forman a base de todos os dispositivos electrónicos.

O problema ata o de agora era a dificultade para crear capas deste material que fosen totalmente uniformes e sen defectos a escalas grandes, como as que se requiren para fabricar chips completos. A solución proposta polo equipo de Corea do Sur baséase nunha mellora precisa dunha técnica xa coñecida: o crecemento epitaxial. 

Crecemento de cristais de MOS₂ segundo o ángulo do substrato de zafiro: a inclinación do substrato guía a forma e orientación dos grans, favorecendo unha estrutura máis ordenada e sen defectos conforme aumenta o ángulo vicinal / Nature Electronics 

O estudo presenta unha técnica baseada na chamada epitaxia de van der Waals sobre substratos vicinais, unha modalidade na que os átomos se depositan sobre unha superficie de zafiro lixeiramente inclinada. Este tipo de superficies ten chanzos atómicos naturais, que actúan como guías para o crecemento ordenado do cristal.

Grazas a este enfoque, os investigadores puideron controlar como se fusionan os pequenos grans cristalinos do MOS₂ durante o crecemento. Isto foi clave para evitar a aparición de defectos nas unións entre grans, que adoitan actuar como puntos de dispersión para os electróns e arruinar a coherencia cuántica do material.

En palabras do propio artigo, “reportamos un crecemento epitaxial de monocapas de MOS₂ en escala de oblea, no que os defectos se minimizan mediante o control cinético da coalescencia en substratos de zafiro vicinal”.

Esta afirmación resume un proceso meticuloso que inclúe axustes na temperatura, a presión e a velocidade de crecemento, para garantir que cada átomo colóquese no lugar correcto.

O obxectivo final destas melloras non é só estrutural, senón funcional. Os autores do estudo avaliaron a calidade electrónica das capas de MOS₂ producidas mediante esta técnica e observaron fenómenos típicos do transporte cuántico. Por exemplo, detectaron efectos Hall cuánticos e un fenómeno chamado localización débil, ambos os sinais de que os electróns se moven sen interrupcións e manteñen a súa fase cuántica.

Segundo o artigo, “as canles resultantes exhiben transporte coherente, manifestado como localización débil e o inicio de efectos Hall cuánticos a baixa temperatura, así como unha mobilidade Hall de 1.200  cm² V⁻¹ s⁻¹”.

Estas cifras non só son impresionantes por si mesmas, senón porque se lograron nun material dunha soa capa atómica, estendido a gran escala. Isto indica que non se trata dun experimento puntual sobre unha mostra microscópica, senón dunha tecnoloxía que pode aplicarse en procesos industriais.

Un dos pasos máis importantes do estudo foi demostrar que estas capas de MOS₂ podían usarse para fabricar transistores de efecto de campo (FETs), o compoñente básico de calquera circuíto electrónico. Os investigadores crearon unha matriz de 64 transistores utilizando o seu material, e os resultados foron moi alentadores.

Os dispositivos mostraron unha mobilidade media de aproximadamente 100  cm² V⁻¹ s⁻¹ a temperatura ambiente, e unha pendente subumbral mínima (subthreshold swing) de ao redor de 65  mV dec⁻¹, unha medida que indica canta enerxía necesítase para activar o transistor. Canto máis baixo este valor, máis eficiente é o dispositivo.

Este rendemento supera o de moitas outras técnicas previas de crecemento de MOS₂ e achégase aos límites teóricos de eficiencia para este tipo de materiais. Isto confirma que o control preciso de defectos non é só un logro académico, senón unha mellora práctica que pode impactar o deseño de novos chips.

Máis aló das cifras concretas, o que fai especial este avance é a súa escalabilidade e aplicabilidade. Lograr cristais sen defectos a escala de oblea implica que esta tecnoloxía podería integrarse en procesos industriais actuais, sen necesidade de redeseñar desde cero as fábricas de semicondutores.

O feito de que o material permita un transporte cuántico coherente e funcione ben en temperaturas baixas e altas convérteo nun candidato ideal para o desenvolvemento de electrónica cuántica, sensores ultrasensibles, computación de baixa potencia e novos tipos de memoria.

Ademais, os investigadores destacan que o proceso pode adaptarse a outros materiais bidimensionais, o que abre aínda máis posibilidades. O estudo, en definitiva, non é só unha demostración técnica, senón un paso realista cara a unha nova xeración de dispositivos máis pequenos, eficientes e cuánticos.

FONTE: Eugenio M. Fernández Aguilar/muyinteresante.com