Ingenieros de la Universidad de Utah (EE.UU.) han descubierto un nuevo tipo de material semiconductor en 2D para electrónica que abre la puerta a ordenadores y smartphones mucho más rápidos, que también consumirán mucha menos energía.
El semiconductor, hecho de los elementos estaño y oxígeno, o monóxido de estaño (SnO), es una capa de material 2D de sólo un átomo de espesor, que permite que las cargas eléctricas se muevan a través de él mucho más rápido que los materiales 3D convencionales, tales como el silicio.
Este material podría ser utilizado en los transistores, el alma de todos los dispositivos electrónicos tales como los procesadores de las computadoras y los procesadores gráficos de los ordenadores de sobremesa y dispositivos móviles.
El material fue descubierto por un equipo dirigido por el profesor de ciencia e ingeniería de los materiales Ashutosh Tiwari, de la Universidad de Utah. Un artículo que describe la investigación se ha publicado en línea en la revista Advanced Electronic Materials. En el documento, que será también el tema de portada de la versión impresa de la revista, participó también el Laboratorio de Investigación Wright-Patterson de la Fuerza Aérea, de Dayton (Ohio).
Transistores y otros componentes utilizados en dispositivos electrónicos están hechos actualmente de materiales 3D tales como el silicio, y constan de varias capas sobre un sustrato de vidrio. Sin embargo, la desventaja de los materiales 3D es que los electrones rebotan en el interior de las capas en todas las direcciones.
El beneficio de los materiales 2D, que es un campo de investigación nuevo y «emocionante» que se ha abierto hace sólo unos cinco años, es que el material está hecho de una capa del grosor de sólo uno o dos átomos. En consecuencia, los electrones «sólo pueden moverse en una capa por lo que son mucho más rápidos», dice Tiwari, en la nota de prensa de la universidad.
Aunque los investigadores de este campo han descubierto recientemente nuevos tipos de material 2D como el grafeno, el disulfuro de molibdeno y el borofeno, son materiales que sólo permiten el movimiento de tipo N, o negativo, de los electrones. Para crear un dispositivo electrónico, sin embargo, es necesario un material semiconductor que permita el movimiento de los electrones como tales, es decir, negativos, pero también el movimiento de «huecos» positivos. El material monóxido de estaño descubierto por Tiwari y su equipo es el primer semiconductor 2D estable de tipo P que existe.
Un semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado con impurezas, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).
Cuando se añade, el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos. El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos.
Semiconductores
«Ahora tenemos de todo: semiconductores de tipo P en 2D y semiconductores de tipo N en 2D», dice. «Las cosas van a avanzar mucho más rápidamente.»
El nuevo material puede conducir a la fabricación de transistores aún más pequeños y rápidos que los existentes. Un procesador de ordenador se compone de miles de millones de transistores, y cuantos más transistores hay empaquetados en un solo chip, más potente puede llegar a ser el procesador.
Transistores hechos con el material semiconductor de Tiwari podrían llevar a producir computadoras y teléfonos inteligentes más de 100 veces más rápidos que los actuales. Y debido a que los electrones se mueven a través de una capa en vez de rebotar en un material 3D, habrá menos fricción, por lo que los procesadores no se calentarán tanto como los actuales.
También requerirán mucha menos energía para funcionar, una gran ayuda para la electrónica móvil que tienen que funcionar con batería. Tiwari dice que esto podría ser especialmente importante para dispositivos médicos tales como implantes electrónicos, que funcionarán durante más tiempo con una sola carga de la batería.
«Este campo es muy popular en estos momentos, y la gente está muy interesada en él,» dice Tiwari. «Así que en dos o tres años deberíamos ver al menos algunos prototipo de dispositivo.»
Referencia bibliográfica:
Kachirayil J. Saji, Kun Tian, Michael Snure, Ashutosh Tiwari: 2D Tin Monoxide-An Unexplored p-Type van der Waals Semiconductor: Material Characteristics and Field Effect Transistors. Advanced Electronic Materials (2016). DOI: 10.1002/aelm.201500453