Durante más de 50 años, los fabricantes de chips de silicio han ideado maneras creativas de permitir o interrumpir la electricidad, generando los unos y ceros digitales que codifican palabras, imágenes, películas y otras formas de datos.
Pero a medida que los investigadores siguen ideando la electrónica de los próximos 50 años, han comenzado a mirar más allá del silicio, en nuevos tipos de materiales que se pueden producir en capas individuales de sólo tres átomos de espesor, mucho más delgados que los chips de silicio modernos, para crear esos unos y ceros digitales.
Ahora, un equipo dirigido por el profesor asociado de ingeniería eléctrica de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos, Eric Pop, ha demostrado cómo podría ser posible producir en masa estos materiales y electrónica de un espesor de meros átomos. ¿Por qué sería esto útil? Porque materiales tan delgados como estos serían también transparentes y flexibles, de manera que permitirían la producción de dispositivos electrónicos imposibles de hacer con silicio.
«¿Te imaginas que tu ventana fuera también un televisor, o que pudieras tener una pantalla reflejada en el parabrisas de tu coche?», preguntó Kirby Smithe, estudiante graduado del equipo de Pop, sugiriendo aplicaciones electrónicas que podrían ser posibles con los nuevos materiales.
Smithe, Pop y los coautores Chris English y Saurabh Suryavanshi, ambos estudiantes graduados en el laboratorio de Pop, han descrito su trabajo en la revista 2D Materials, que se dedica a la investigación de dispositivos atómicos finos bidimensionales.
De la teoría a la realidad
El objetivo del equipo era desarrollar un proceso de fabricación que convirtiera chips de una capa en realidades prácticas. El primer material atómicamente delgado fue medido en 2004 cuando los científicos observaron que el grafeno, un material relacionado con la «mina» de los lapiceros, podría ser aislado en capas del espesor de un solo átomo de carbono. Los científicos que hicieron este hallazgo compartieron el Premio Nobel de Física en 2010.
No obstante, el proceso utilizado para hacer ese descubrimiento, en que los científicos levantaban capas de grafeno de una roca utilizando cinta adhesiva, no servía para convertir cristales ultrafinos en electrónica de próxima generación.
A raíz del descubrimiento del grafeno, los ingenieros se embarcaron en una búsqueda para encontrar materiales similares y, lo que es más importante, maneras prácticas de crear interruptores atómicamente finos en circuitos.
El ámbito donde los miembros del equipo de Stanford hicieron un gran avance fue en la “manufacturabilidad”. Comenzaron con una sola capa de material llamado disulfuro de molibdeno. El nombre describe su estructura de tipo sándwich: una lámina de átomos de molibdeno entre dos capas de azufre. Investigaciones anteriores habían demostrado que el disulfuro de molibdeno podía actuar como un buen interruptor, controlando la electricidad para crear unos y ceros digitales.
Ampliando el diseño
La pregunta era si el equipo podría fabricar un cristal de disulfuro de molibdeno lo suficientemente grande como para formar un chip. Eso requiere construir un cristal aproximadamente del tamaño de una uña del dedo pulgar. Esto puede no sonar como gran cosa, hasta que se considera la relación de aspecto del cristal requerido: un chip de tan sólo tres átomos de espesor pero del tamaño de una uña de pulgar es comparable a una sola hoja de papel lo suficientemente grande como para cubrir todo el campus de Stanford.
El equipo de Stanford fabricó esa hoja depositando tres capas de átomos en una estructura cristalina 25 millones de veces más ancha que gruesa. Smithe logró esto haciendo refinamientos ingeniosos a un proceso de fabricación llamado deposición química de vapor. Este enfoque esencialmente incinera pequeñas cantidades de azufre y molibdeno hasta que los átomos se vaporizan como hollín. Los átomos luego se depositan como una capa cristalina ultrafina en un sustrato de «agarre», que puede ser vidrio o incluso silicio.
Sin embargo, el trabajo de los investigadores no terminaba aquí. Todavía tenían que modelar el material en interruptores eléctricos y entender su funcionamiento. Para ello, hicieron uso de un avance reciente dirigido por English, que descubrió que era esencial mantener unas condiciones de deposición extremadamente limpias para formar buenos contactos metálicos con las capas de disulfuro de molibdeno. La riqueza de nuevos datos experimentales disponibles ahora en el laboratorio también ha permitido a Suryavanshi elaborar modelos informáticos precisos de los nuevos materiales y comenzar a predecir su comportamiento colectivo como componentes del potencial circuito.
«Tenemos mucho trabajo por delante para ampliar este proceso y crear circuitos a escalas mayores y con un mejor rendimiento», dijo Pop. «Pero ahora tenemos todos los bloques de construcción».
Grabando los interruptores
Durante la fabricación de los chips, los circuitos deben ser grabados en el material. Para demostrar cómo un proceso de fabricación de chips de una sola capa a gran escala podría realizar este paso en el futuro, el equipo usó herramientas de grabado estándar para grabar el logotipo de Stanford en su prototipo. Después de esto, con el fin de pasarlo bien con un proyecto que completaron durante la campaña electoral nacional, tallaron retratos a nanoescala de los dos candidatos principales del partido en su lienzo atómicamente delgado.
Pop dijo que el equipo de Stanford fue inspirado para hacer esto por los investigadores que hicieron algo similar durante el ciclo de la elección en 2008, cuando crearon “nanobama” (imágenes minúsculas del entonces del presidente electo Barack Obama usando nanotubos de carbono). Los nanotubos son otra tecnología potencial de chips de próxima generación; los investigadores de ese proyecto utilizaron Nanobama como una forma de llamar la atención sobre la capacidad de los tecnólogos para fabricar objetos que son casi inimaginablemente diminutos.
«Mucha gente está interesada en la electrónica porque la tecnología es útil», dijo Pop. «Pero esperamos que nanotrump y nanoclinton puedan ampliar el interés en la investigación. Tal vez ver retratos grabados en un lienzo de tres átomos de espesor inspire a los futuros investigadores en formas que ni siquiera podemos imaginar.
Artículo original publicado por la Universidad de Stanford. Revisado y traducido por ¡QFC!
