Nuevo silicio puede revolucionar la industria de semiconductores
Ingenieros de la Universidad Northeastern han logrado sintetizar nanocables de silicio ultradelgados y altamente densos que podrían revolucionar la industria de los semiconductores.
El profesor Yung Joon Jung y sus colaboradores lograron un gran avance en la síntesis de nanocables al descubrir una nueva forma de silicio altamente densa y dominar un nuevo proceso escalable de grabado sin catalizador para producir ultrapequeños nanocables de silicio de dos a cinco nanómetros de diámetro. La investigación se publica en Nature Communications.
Hace unos 10 años, los estudiantes llamaron la atención de Jung sobre un resultado inusual de un experimento que estaban realizando con obleas de silicio. El material que vio bajo un microscopio electrónico era diferente del que pretendían producir, dice Jung.
Decidió averiguar más sobre esta sustancia y descubrió que era silicio con una nanoestructura parecida a un alambre "muy, muy pequeña", dice Jung en un comunicado. Pudieron reproducir el nuevo material, dice, pero cuando intentaron mejorar el proceso de síntesis, los nanocables no crecieron.
El científico y su equipo tuvieron que rebobinar y estudiar, desde el principio, el mecanismo de síntesis y la estructura y propiedades a escala atómica del material.
Pensaron que tal vez la sustancia resultante de las obleas de silicio durante la síntesis no era silicio en absoluto. El material tenía una estructura altamente comprimida, reducida entre un 10% y un 20% en comparación con el silicio normal, que normalmente no es estable en tal estado comprimido.
A través del análisis computacional y el modelado, se pudo demostrar que, a pesar de las propiedades inusuales, el nuevo material era una forma de silicio con una capa muy delgada de óxido en la parte superior, lo que probablemente ayuda a mantener la compresión.
Una de las razones por las que el silicio se usa ampliamente como semiconductor en microelectrónica, como chips de computadora, circuitos integrados, transistores, diodos de silicio y pantallas de cristal líquido, es que es barato y abundante. Según la Royal Society of Chemistry, es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno, pero no se encuentra en su estado puro y sin combinar en la naturaleza. Se puede encontrar en arena, cuarzo, pedernal, granito, mica y arcilla, entre otras piedras y minerales.
En la década de 1970, la próspera industria de chips de computadora de silicio incluso le dio un nuevo nombre a la región sur de la Bahía de San Francisco, "Silicon Valley", que fue popularizado por Don Hoefler, un reportero de Electronic News Magazine.
Sin embargo, el silicio tradicional no puede soportar altas temperaturas y, por lo tanto, está limitado a aplicaciones de menor potencia. Tiene una banda prohibida de 1,11 electronvoltios (la banda prohibida determina la energía necesaria para que los electrones del material semiconductor conduzcan electricidad al ser estimulados por fuentes externas).
El nuevo material tiene una banda prohibida ultra ancha de 4,16 eV, un récord mundial, dice Jung. La banda prohibida ultraancha implica que el material necesita estímulos más grandes para conducir la electricidad, pero puede operar a alta potencia, alta temperatura y altas frecuencias. Los nanocables de silicio producidos a partir de este nuevo material serán adecuados para dispositivos electrónicos de potencia, transistores, diodos y LED, dice Jung.
A diferencia del silicio regular, el nuevo material es altamente resistente a la oxidación. También es fotoluminiscente, capaz de emitir luz azul y púrpura, que puede usarse para iluminación ultravioleta y en diodos de luz azul.
Jung y su equipo de investigación también han creado un nuevo método para producir nanocables de silicio, llamado grabado químico con vapor, que elimina material en lugar de formar cristales. Como resultado, pueden fabricar nanocables que son de 10 a 20 veces más pequeños que los nanocables de silicio que se utilizan comercialmente en la actualidad.
Los procesos de síntesis de nanocables conocidos anteriormente utilizan partículas de catalizador para hacer crecer cristales de silicio.
Los nuevos nanocables de silicio pueden mejorar las baterías de iones de litio, dice Jung. Además, agregar algunos materiales seleccionados como fósforo o nitrógeno (una técnica llamada dopaje) puede conducir a otras propiedades interesantes y permitir otras aplicaciones.
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