Una innovadora película protectora para materiales cuánticos 2D

Encontrar materiales de reemplazo que mantengan su funcionalidad a nivel atómico es una de las dificultades más importantes de la ciencia, a medida que los procesadores de computadora basados ​​en silicio se acercan a sus límites físicos para buscar diseños más pequeños y más rápidos.

En un descubrimiento innovador, los científicos del Clúster de Excelencia Würzburg-Dresden ct. qmat ha creado una barrera que protege capas de semiconductores cuánticos de solo un átomo de espesor contra los efectos externos, sin sacrificar sus innovadoras características cuánticas. Esto hace posible el uso de capas atómicas extremadamente delgadas en componentes eléctricos frágiles.

En 2021, los científicos hicieron un descubrimiento revolucionario: materiales cuánticos topológicos como el indeneno, que tienen un enorme potencial para la electrónica ultrarrápida y energéticamente eficiente. Los semiconductores cuánticos ultrafinos resultantes funcionan como aislantes topológicos, conduciendo electricidad casi sin resistencia a lo largo de sus bordes. Están formados por una única capa de átomos, en este caso átomos de indio en el caso del indio.

Físico experimental Profesor Ralph Claessen, ct. El portavoz de qmat en Würzburg afirmó: “Producir una capa atómica tan única requiere equipos de vacío sofisticados y un material de sustrato específico. Para utilizar este material bidimensional en componentes electrónicos, se debe retirar del entorno de vacío. Sin embargo, la exposición al aire, aunque sea brevemente, provoca oxidación, destruyendo sus propiedades revolucionarias y volviéndolo inútil”.

Cedric Schmitt, uno de los estudiantes de doctorado de Claessen involucrados en el proyecto, dijo: “Dedicamos dos años a encontrar un método para proteger la sensible capa de indeneno de los elementos ambientales mediante una capa protectora. El desafío era garantizar que este recubrimiento no interactuara con la capa de indeneno”.

“Esta interacción es problemática porque cuando se encuentran diferentes tipos de átomos –de la capa protectora y del semiconductor, por ejemplo– reaccionan químicamente a nivel atómico, alterando el material. Esto no es un problema con los chips de silicio convencionales que comprenden múltiples capas atómicas, dejando suficientes capas sin cambios para seguir siendo funcionales”.

Ralph Claessen dijo: “Un material semiconductor formado por una única capa atómica, como el indeneno, normalmente estaría protegido por una película protectora. Esto presentó un desafío aparentemente insuperable que despertó nuestra curiosidad investigadora. La búsqueda de una capa protectora viable los llevó a explorar los materiales de van der Waals, que llevan el nombre del físico holandés Johannes Diderik van der Waals”.

“Estas capas atómicas bidimensionales de Van der Waals se caracterizan por fuertes enlaces internos entre sus átomos, aunque sólo se unen débilmente al sustrato. Este concepto es similar a la forma en que la mina de un lápiz se fabrica a partir de grafito (una forma de carbono con átomos dispuestos en capas alveolares) y se escribe en papel. Las capas de grafeno se pueden separar fácilmente. Nuestro objetivo era replicar esta característica”.

El equipo de Würzburg investigó las condiciones necesarias para crear grafeno a partir de carburo de silicio (SiC) calentándolo como sustrato para indeneno utilizando equipos avanzados de ultra alto vacío. Los átomos de silicio y carbono forman el carburo de silicio. Los átomos de carbono se separan de la superficie cuando se calientan, formando grafeno.

Schmitt aclara el proceso de laboratorio: “Luego depositamos al vapor átomos de indio, que se sumergen entre la capa protectora de grafeno y el sustrato de carburo de silicio. Así se formó la capa protectora de nuestro material cuántico bidimensional, el indeneno”.

Sin sacrificar las notables características cuánticas de un material semiconductor cuántico bidimensional, los científicos han creado con éxito una capa protectora funcional para el material por primera vez en la historia. Examinaron detalladamente el procedimiento de fabricación y luego probaron la resistencia de la capa a la corrosión y la oxidación.

«¡Funciona! Claessen exclama, “La muestra puede incluso sumergirse en agua sin sufrir efectos negativos. Nuestro indeneno está protegido por la capa de grafeno como un paraguas”.

Esta innovación hace posibles aplicaciones que requieren capas atómicas semiconductoras extremadamente sensibles. Los componentes eléctricos ultrafinos deben tratarse al aire u otras condiciones químicas durante su fabricación. La identificación de este mecanismo de defensa lo hizo factible.

El equipo de Würzburg se centra ahora en encontrar más materiales de Van der Waals que puedan actuar como capas protectoras y ya está considerando algunas opciones. El problema es que pueden producirse cortocircuitos debido a la conductividad eléctrica del grafeno, aunque protege las monocapas atómicas de influencias externas. Superar estos obstáculos y sentar las bases de la electrónica de capas atómicas del mañana son los objetivos de los científicos de Würzburg.

Referencia de la revista:

1. Lograr la estabilidad ambiental en un aislante Hall de espín cuántico atómicamente delgado mediante un dispositivo de intercalación de grafeno. Cedric Schmitt, Jonas Erhardt, Philipp Eck, Matthias Schmitt, Kyungchan Lee, Philipp Keßler, Tim Wagner, Merit Spring, Bing Liu, Stefan Enzner, Martin Kamp, Vedran Jovic, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Timur Kim, Cephise Cacho , Tien-Lin Lee, Giorgio Sangiovanni, Simon Moser, Ralph Claessen en Nat Commun 15, 1486 (2024). DUELE: 10.1038/s41467-024-45816-9.