El dosel de los átomos: la primera capa protectora

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Una representación esquemática de cómo la capa de grafeno protege contra el agua. La corriente eléctrica que fluye a lo largo del borde del aislante topológico de indenina no se ve afectada por influencias externas.

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Crédito: Jörg Bandmann, Pixelwg

La carrera para producir chips de computadora más rápidos y potentes continúa, a medida que los componentes básicos de los transistores se reducen a tamaños más pequeños y compactos. Dentro de unos años, estos transistores medirán sólo unos pocos átomos, momento en el que la miniaturización de la tecnología de silicio utilizada actualmente alcanzará sus límites físicos. Por tanto, la búsqueda de materiales alternativos con propiedades completamente nuevas es crucial para el futuro progreso tecnológico.

En 2021, los científicos del Grupo de Excelencia ct.qmat – Complejidad y Topología en Materia Cuántica de la JMU Würzburg y la TU Dresden hicieron un descubrimiento importante: materiales cuánticos topológicos como la adenina, que son muy prometedores para velocidades ultraaltas y eficiencia energética. electrónica. Los semiconductores cuánticos ultrafinos resultantes consisten en una sola capa de átomos (átomos de indio en el caso de la indenina) y actúan como aislantes topológicos, conduciendo la electricidad casi sin resistencia a lo largo de sus bordes.

«Producir una capa atómica única requiere equipos de vacío sofisticados y materiales de sustrato específicos. Para utilizar este material 2D en componentes electrónicos, debe retirarse del entorno de vacío». Sin embargo, la exposición al aire, aunque sea brevemente, provoca oxidación, lo que lleva a Destruir sus propiedades revolucionarias e inutilizarlo”, explica el físico experimental profesor Ralf Claessen, portavoz de ct.qmat en Würzburg.

El equipo de ct.qmat Würzburg ya ha solucionado este problema. Sus resultados fueron publicados en la revista. Comunicaciones de la naturaleza.

En busca de una capa protectora

«Dedicamos dos años a encontrar una manera de proteger la sensible capa de indenina de los elementos ambientales mediante una capa protectora. El desafío era garantizar que esta capa no interactuara con la capa de indenina», explica Cédric Schmidt, uno de los estudiantes de doctorado de Claessen involucrados. Un problema porque cuando se encuentran distintos tipos de átomos (de una capa protectora y de un semiconductor, por ejemplo) reaccionan químicamente a nivel atómico, cambiando el material. Esto no es un problema con los chips de silicio tradicionales, que están compuestos de múltiples capas atómicas, dejando capas suficientes que no se ven afectadas y, por lo tanto, siguen siendo efectivas.

«Los materiales semiconductores de una sola capa atómica, como la indenina, suelen estar protegidos por una capa protectora. Esto suponía un desafío insuperable, que despertó nuestra curiosidad investigadora», afirma Claessen. La búsqueda de una capa protectora viable los llevó a explorar los materiales de Van der Waals. , que lleva el nombre del físico holandés Johannes Diederik van der Waals (1837-1923): «Estas capas atómicas bidimensionales de Van der Waals se caracterizan por fuertes enlaces internos entre sus átomos, mientras que su enlace con el sustrato es sólo débil», explica Claessen. . El concepto es similar a cómo escribe sobre papel un lápiz hecho de grafito (una forma de carbono con átomos dispuestos en capas alveolares). Las capas de grafeno se pueden separar fácilmente. Nuestro objetivo es replicar esta característica.

¡éxito!

Utilizando equipos de vacío muy sofisticados, el equipo de Würzburg realizó experimentos calentando carburo de silicio (SiC) como sustrato para la adenina y exploró las condiciones necesarias para formar grafeno a partir de él. «El carburo de silicio está compuesto de átomos de silicio y de carbono. Al calentarlo, los átomos de carbono se desprenden de la superficie y forman grafeno», explica Schmidt, explicando el proceso de laboratorio. «Luego depositamos en vapor átomos de indio, que se intercalan entre la capa protectora de grafeno». capa y el sustrato de carburo de silicio. Así se formó la capa protectora de nuestra materia cuántica bidimensional, la indenina.

El paraguas no está levantado.

Por primera vez en el mundo, Claessen y su equipo de la sucursal ct.qmat de Würzburg lograron diseñar una capa protectora funcional para un material semiconductor cuántico 2D sin comprometer sus extraordinarias propiedades cuánticas. Después de analizar el proceso de fabricación, probaron exhaustivamente las capacidades de la capa protectora contra la oxidación y la corrosión. «¡Funciona! La muestra también puede exponerse al agua sin verse afectada en modo alguno», dice alegremente Claessen. «La capa de grafeno actúa como un paraguas para nuestra endrina».

Hacia la electrónica de la capa atómica

Este avance allana el camino para aplicaciones que involucran capas atómicas de semiconductores altamente sensibles. La fabricación de componentes electrónicos ultrafinos requiere procesarlos en aire u otros entornos químicos. Esto fue posible gracias al descubrimiento de este mecanismo de protección. El equipo de Würzburg se centra ahora en identificar más materiales de Van der Waals que podrían servir como capas protectoras y ya tienen en mente algunas perspectivas de futuro. El inconveniente es que, aunque el grafeno protege eficazmente sus capas atómicas individuales contra factores ambientales, su conductividad eléctrica plantea un riesgo de cortocircuitos. Los científicos de Würzburg trabajan para superar estos desafíos y crear las condiciones para la futura electrónica de clase atómica.

Clúster de Excelencia ct.qmat

El Clúster de Excelencia ct.qmat – Complejidad y Topología en Materia Cuántica está gestionado conjuntamente por la Universidad Julius Maximilians (JMU) de Würzburg y la Universidad Técnica de Dresde desde 2019. Más de 300 científicos de más de treinta países y cuatro continentes estudian la topología cuántica Materiales que revelan fenómenos asombrosos en condiciones extremas como temperaturas extremadamente bajas, alta presión o fuertes campos magnéticos. ct.qmat está financiado por la Estrategia de Excelencia Alemana de los gobiernos federal y estatal y es el único grupo de excelencia en Alemania con sede en dos estados federados diferentes.


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