Posible nuevo paso en la Ley de Moore gracias al siliceno

08 Febrero 2017

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Los nuevos materiales bidimensionales como el siliceno apuntan a crear una nueva generación de transistores de alto rendimiento por sus excelentes propiedades electrónicas y su reducido tamaño dando continuidad a la ley de Moore

Jaime Cuesta Aguirre

Con el descubrimiento del grafeno en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov, premiados por ello con el Nobel de Física en el 2010, se abrió un nuevo campo de investigación: los materiales bidimensionales (2D) [1]. A raíz de este hecho, se han descubierto otros materiales bidimensionales como por ejemplo el germaneno (Ge), estaneno (Sn), arseneno (As), antimoneno (Sb) siendo este el más reciente en aislarse y destacando el borofeno (B), fosforeno (P) y siliceno (Si).

En el 2009 se obtuvieron las primeras láminas de siliceno pero no fue hasta el 2012 cuando de forma conjunta, científicos de la Universidad Técnica de Berlín (Alemania) [Patrick Vogt y colaboradores] y de la Universidad de Aix Marseille (Francia) [Guy Le Lay y colaboradores] consiguieron sintetizar satisfactoriamente y de forma estable una lámina de siliceno sobre plata [2]. Para lograrlo renunciaron a seguir el método tradicional de depositar plata sobre una oblea de silicio y recurrieron al proceso de forma invertida, realizando la deposición en fase vapor de silicio sobre plata. Además, necesitaban hacer esta deposición en ultra alto vacío.

El siliceno está formado por una delgada lámina de átomos de silicio y al igual que el grafeno, presenta una estructura sólida con forma de panel de abeja, aunque difieren en que la del siliceno es corrugada, mientras que la del grafeno es plana.

Figura 1.- A la izquierda se ilustra el siliceno corrugado. (a) Vista en perspectiva. (b) Vista desde arriba. (c) Vista de perfil. Los átomos A y B son Silicio y forman dos subredes que están separadas verticalmente por ∆ ~ 0.04 nm. A la derecha el grafeno. Fuente: Foto del siliceno [2] y foto del grafeno [1].

Las longitudes de los enlaces entre los átomos de silicio están próximas a 0.225 nm pero por el pandeo, siendo la distancia real de casi el doble, estando entre 0.044 nm y 0.083 nm.

El grafeno y el siliceno poseen muchas propiedades en común. Una de ellas es la flexibilidad inherente asociada al pandeo intrínseco de la estructura, otra es la conductividad electrónica. Según apuntó Le Lay en un congreso de la American Physical Society: “El nuevo material no solo posee una estructura similar al grafeno sino que también comparte buena parte de sus propiedades electrónicas” refiriéndose a la extremada alta movilidad de los portadores de cargas.

Sin embargo, difieren en un factor muy importante que es en el intervalo de energías prohibidas, el cual es vital para cualquier dispositivo electrónico ya que permite encender, apagar o realizar operaciones lógicas. El intervalo de energías prohibidas para el grafeno es inexistente mientras que para el siliceno es del orden de 0.064 eV [3], muy útil para aplicaciones optoelectrónicas.

En 2015 dos grupos de investigadores dirigidos por Deji Akiwande en Austin (Texas) y por Alessandro Molle en Milán (Italia), consiguieron fabricar el primer transistor de efecto campo (FET) de siliceno con capacidad de operar a temperaturas ambientales [4], aunque por un tiempo limitado, alrededor de 2 minutos, a causa de la gran reactividad del siliceno con el hidrógeno y el oxígeno de la atmósfera.

Figura 2.- Imagen tridimensional del transistor FET de siliceno. Fuente [4].

Para fabricar el transistor formaron una lámina de siliceno sobre una delgada capa de plata. Colocaron una fina lámina de alúmina de 5 nm de espesor sobre el siliceno encapsulándolo entre la alúmina y la plata. Le dieron la vuelta, dejando la plata en la parte superior, y lo colocaron sobre un substrato de silicio oxidado. Finalmente, grabaron suavemente parte de la plata para dejar dos islas del metal como electrodos quedando una tira de siliceno expuesto entre ellos.

Foto 3.- Proceso de fabricación del transistor. Fuente [3].

Le Lay, está convencido de que los investigadores se centraran en el siliceno. “Ahora que se ha hecho un dispositivo”, dice, “otros científicos verán que no es un material de ensueño, es algo práctico”.

Actualmente vivimos en la era digital la cual se rige por una ley: la ley de Moore; quien dijo que aproximadamente cada 18 meses se duplicaría el número de transistores en un microprocesador y efectivamente, hasta ahora, se ha cumplido.

Con este descubrimiento se puede dar continuidad a la ley de Moore ya que las dimensiones del nuevo transistor son menores que las de la anterior generación haciendo posible que el número de transistores crezca. No obstante, primero se deberá solventar el problema de la estabilidad del siliceno impidiendo su degradación [5].

 


Referencias: Revistas [1, 3 y 4]. Paper [2]. Internet [5].

[1] Artículo blog del grafeno: http://www.ticbeat.com/innovacion/que-son-los-materiales-bidimensionales-y-como-van-a-revolucionar-el-mundo/

[2] Artículo Revista Europhysiscs news: http://www.europhysicsnews.org/articles/epn/pdf/2016/01/epn2016471p17.pdf

[3] Energy bands of atomic monolayer of various materials: Possibility of energy band engineering. Tatsuo Suzuki and Yushi Yokomizo. Physica E 42 (2010) 2820-2825.

[4] Artículo Revista Nature Nanotechnology Letters. 2-Feb-2015. DOI:10.1038/NNANO.2014.325: Silicenen field-effect transistors operating at room temperature. Li Tao, Eugenio Cinquanta, Daniele Chiappe, Carlo Grazianetti, Marco Fanciulli, Madan Dubey, Alessandro Molle and Deji Akinwande. https://www.researchgate.net/publication/271772835_Silicene_field-effect_transistors_operating_at_room_temperature

[5] Artículo Revista Nature: Graphene’s cousin silicene makes transistor debut by Mark Peplow: http://www.nature.com/news/graphene-s-cousin-silicene-makes-transistor-debut-1.16839?WT.ec_id=NEWS-20150203 – /related-links

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