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2022-07-22¿El mejor semiconductor de todos?

MIT |Los investigadores han encontrado un material que puede funcionar mucho mejor que el silicio. El siguiente paso es encontrar formas prácticas y económicas de hacerlo.

El silicio es uno de los elementos más abundantes en la Tierra y, en su forma pura, el material se ha convertido en la base de gran parte de la tecnología moderna, desde las células solares hasta los chips de computadora. Pero las propiedades del silicio como semiconductor están lejos de ser ideales.

Por un lado, aunque el silicio permite que los electrones atraviesen fácilmente su estructura, se adapta mucho menos a los "agujeros" (las contrapartes cargadas positivamente de los electrones) y aprovechar ambos es importante para algunos tipos de chips. Además, el silicio no es muy bueno para conducir el calor, razón por la cual los problemas de sobrecalentamiento y los costosos sistemas de enfriamiento son comunes en las computadoras.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT, la Universidad de Houston y otras instituciones ha llevado a cabo experimentos que demuestran que un material conocido como arseniuro de boro cúbico supera ambas limitaciones. Proporciona una alta movilidad tanto a los electrones como a los huecos y tiene una excelente conductividad térmica. Es, dicen los investigadores, el mejor material semiconductor jamás encontrado, y quizás el mejor posible.

Hasta ahora, el arseniuro de boro cúbico solo se ha fabricado y probado en lotes pequeños a escala de laboratorio que no son uniformes. Los investigadores tuvieron que usar métodos especiales desarrollados originalmente por el ex postdoctorado del MIT Bai Song para probar pequeñas regiones dentro del material. Se necesitará más trabajo para determinar si el arseniuro de boro cúbico se puede fabricar de una forma práctica y económica, y mucho menos para reemplazar el omnipresente silicio. Pero incluso en un futuro cercano, el material podría encontrar algunos usos en los que sus propiedades únicas marcarían una diferencia significativa, dicen los investigadores.

Los hallazgos se informan hoy en la revista Science , en un artículo del postdoctorado del MIT Jungwoo Shin y el profesor de ingeniería mecánica del MIT Gang Chen; Zhifeng Ren de la Universidad de Houston; y otros 14 en el MIT, la Universidad de Houston, la Universidad de Texas en Austin y el Boston College.

Investigaciones anteriores, incluido el trabajo de David Broido, coautor del nuevo artículo, habían predicho teóricamente que el material tendría una alta conductividad térmica; el trabajo posterior demostró esa predicción experimentalmente. Este último trabajo completa el análisis al confirmar experimentalmente una predicción hecha por el grupo de Chen en 2018: que el arseniuro de boro cúbico también tendría una movilidad muy alta tanto para los electrones como para los huecos, "lo que hace que este material sea realmente único", dice Chen.

Los experimentos anteriores mostraron que la conductividad térmica del arseniuro de boro cúbico es casi 10 veces mayor que la del silicio. “Entonces, eso es muy atractivo solo para la disipación de calor”, dice Chen. También demostraron que el material tiene una banda prohibida muy buena, una propiedad que le otorga un gran potencial como material semiconductor.

Ahora, el nuevo trabajo completa la imagen y muestra que, con su alta movilidad tanto para electrones como para huecos, el arseniuro de boro tiene todas las cualidades principales necesarias para un semiconductor ideal. “Eso es importante porque, por supuesto, en los semiconductores tenemos cargas positivas y negativas de manera equivalente. Entonces, si construyes un dispositivo, quieres tener un material en el que tanto los electrones como los huecos viajen con menos resistencia”, dice Chen.

El silicio tiene buena movilidad de electrones pero poca movilidad de huecos, y otros materiales como el arseniuro de galio, ampliamente utilizado para láseres, tienen igualmente buena movilidad de electrones pero no de huecos.

“El calor es ahora un cuello de botella importante para muchos productos electrónicos”, dice Shin, el autor principal del artículo. “El carburo de silicio está reemplazando al silicio para la electrónica de potencia en las principales industrias de vehículos eléctricos, incluida Tesla, ya que tiene una conductividad térmica tres veces mayor que el silicio a pesar de sus movilidades eléctricas más bajas. Imagine lo que pueden lograr los arseniuros de boro, con una conductividad térmica 10 veces mayor y una movilidad mucho mayor que el silicio. Puede ser un cambio de juego”.

Shin agrega: "El hito fundamental que hace posible este descubrimiento son los avances en los sistemas de rejilla láser ultrarrápidos en el MIT", desarrollados inicialmente por Song. Sin esa técnica, dice, no habría sido posible demostrar la alta movilidad del material para electrones y huecos.

Las propiedades electrónicas del arseniuro de boro cúbico se predijeron inicialmente con base en los cálculos de la función de densidad mecánica cuántica realizados por el grupo de Chen, dice, y esas predicciones ahora se han validado a través de experimentos realizados en el MIT, utilizando métodos de detección óptica en muestras realizadas por Ren y miembros de el equipo de la Universidad de Houston.

Los investigadores dicen que la conductividad térmica del material no solo es la mejor de cualquier semiconductor, sino que tiene la tercera mejor conductividad térmica de cualquier material, después del diamante y el nitruro de boro cúbico enriquecido isotópicamente. "Y ahora, predijimos el comportamiento de la mecánica cuántica de electrones y huecos, también a partir de los primeros principios, y eso también se demostró que es cierto", dice Chen.

“Esto es impresionante, porque en realidad no conozco ningún otro material, además del grafeno, que tenga todas estas propiedades”, dice. “Y este es un material a granel que tiene estas propiedades”.

El desafío ahora, dice, es descubrir formas prácticas de hacer este material en cantidades utilizables. Los métodos actuales para hacerlo producen material muy no uniforme, por lo que el equipo tuvo que encontrar formas de probar solo pequeños parches locales del material que fueran lo suficientemente uniformes para proporcionar datos confiables. Si bien han demostrado el gran potencial de este material, “no sabemos si se utilizará realmente ni dónde”, dice Chen.

“El silicio es el caballo de batalla de toda la industria”, dice Chen. “Entonces, está bien, tenemos un material que es mejor, pero ¿realmente compensará a la industria? No lo sabemos. Si bien el material parece ser casi un semiconductor ideal, "si realmente puede ingresar a un dispositivo y reemplazar parte del mercado actual, creo que aún no se ha probado".

Y aunque se ha demostrado que las propiedades térmicas y eléctricas son excelentes, hay muchas otras propiedades de un material que aún no se han probado, como su estabilidad a largo plazo, dice Chen. “Para fabricar dispositivos, hay muchos otros factores que aún no conocemos”.

Agrega: "Esto podría ser potencialmente muy importante, y la gente ni siquiera ha prestado atención a este material". Ahora que las propiedades deseables del arseniuro de boro se han vuelto más claras, lo que sugiere que el material es "en muchos sentidos el mejor semiconductor", dice, "tal vez se preste más atención a este material".

Para usos comerciales, dice Shin, “un gran desafío sería cómo producir y purificar arseniuro de boro cúbico con la misma eficacia que el silicio. … El silicio tardó décadas en ganar la corona, con una pureza de más del 99,99999999 por ciento, o 10 nueves para la producción en masa actual”.

Para que sea práctico en el mercado, dice Chen, "realmente se requiere que más personas desarrollen diferentes formas de hacer mejores materiales y caracterizarlos". Queda por ver si la financiación necesaria para tal desarrollo estará disponible, dice.

La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval de EE. UU. y utilizó las instalaciones de las Instalaciones Experimentales Compartidas MRSEC del MIT, apoyadas por la Fundación Nacional de Ciencias.

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