A medida que los procesos tradicionales de fabricación de chips de silicio se acercan a sus límites, los científicos buscan activamente nuevos materiales para mantener la tendencia de la Ley de Moore.
其中，過渡金屬二硫屬化物（Transition Metal Dichalcogenides，TMD）成為備受矚目的候選材料。
Un equipo de investigación del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) ha publicado recientemente un estudio en el que se analiza en profundidad el efecto que tienen la estructura atómica y los defectos internos de los TMD sobre sus propiedades eléctricas, sentando así las bases para el desarrollo de una nueva generación de chips de alto rendimiento.
Tabla de contenido
De los chips de silicio a los TMD: la evolución de la tecnología de semiconductores
Los chips de silicio tradicionales han sido la base de la tecnología informática durante más de medio siglo; sin embargo, el tamaño mínimo de las estructuras de los chips comerciales actuales se ha reducido a 3 nanómetros, lo que se acerca al límite físico. Ante la creciente demanda de una mayor potencia de cálculo, los científicos están recurriendo a los materiales bidimensionales con la esperanza de superar las limitaciones de la tecnología actual.
El TMD, al ser un material bidimensional, está compuesto únicamente por unas pocas capas de átomos y puede tener un grosor de tan solo tres átomos. (Se puede imaginar como un pequeño sándwich metálico.)
Los TMD presentan propiedades físicas, químicas y electrónicas diferentes a las de los materiales de silicio tradicionales. En comparación con el grafeno, el material bidimensional más conocido, los TMD están compuestos por metales de transición (como el molibdeno Mo y el tungsteno W, entre otros metales de los grupos 3 a 12 de la tabla periódica) y elementos del grupo del azufre (como el azufre S, el selenio Se y el teluro Te). Su especial estructura laminar les confiere excelentes propiedades electrónicas y ópticas, lo que los convierte en un objeto de investigación muy popular en el campo de los semiconductores.
Un estudio revela: Defectos internos del TMD y propiedades eléctricas
La estructura cristalina de los TMD no es perfecta, y los defectos que presenta pueden afectar a sus propiedades electrónicas o incluso potenciarlas. Por ejemplo, puede faltar un átomo en la red cristalina o aparecer un átomo adicional en una posición inesperada. Aunque estos defectos pueden afectar a la conductividad del material, algunos de ellos, en cambio, pueden mejorar las propiedades semiconductoras de los TMD.
Una investigación del equipo del físico Shoaib Khalid, del PPPL, ha revelado que en el interior de los TMD en forma de bloque suelen encontrarse electrones adicionales, que podrían deberse al hidrógeno.
El equipo de investigación determinó qué defectos eran los más probables calculando la energía de formación de los distintos tipos de defectos, y analizó cómo estos afectaban a las propiedades de conducción de la carga del material.
Los resultados indican que los defectos relacionados con el hidrógeno podrían hacer que el TMD presentara propiedades semiconductoras de tipo n (con carga negativa), mientras que las vacantes de elementos del grupo del azufre podrían alterar las propiedades ópticas y electrónicas del material.
TMD 在未來晶片製造的應用
Los investigadores sugieren que se pueden analizar los defectos internos de los TMD mediante la técnica de «fotoluminiscencia», con el fin de deducir los cambios en la estructura atómica a partir de la frecuencia de la luz emitida por el material.
Este estudio ofrece orientación experimental para futuras aplicaciones de TMD, especialmente en el desarrollo de una nueva generación de chips informáticos, y ayuda a los ingenieros a diseñar semiconductores TMD que se adapten a las necesidades de las aplicaciones.
Con los avances tecnológicos, los expertos prevén que los chips de TMD podrían empezar a utilizarse en dispositivos electrónicos ya en 2030, convirtiéndose en una alternativa viable a los chips de silicio. Mediante un estudio en profundidad de la estructura de los materiales y el impacto de los defectos, los científicos podrán optimizar aún más el rendimiento de los TMD e impulsar el avance de la tecnología de semiconductores.
Bibliografía
- Más allá del silicio: cómo los materiales del grosor de un átomo están revolucionando los chips
- Sustituir el silicio por materiales TMD para impulsar la próxima generación de chips semiconductores, más pequeños y eficientes
- «El papel de los vacíos de elementos del grupo del azufre y del hidrógeno en las propiedades ópticas y eléctricas de los disulfuros de metales de transición en fase sólida», autores: Shoaib Khalid, Anderson Janotti y Bharat Medasani, 24 de mayo de 2024, 2D Materials. DOI: 10.1088/2053-1583/ad4720
(Fuente de la imagen principal: Laboratorio de Física del Plasma de Princeton)
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