El Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) ha desarrollado una técnica para crear y pelar capas ultrafinas de material electrónico. Este método podría allanar el camino para nuevos tipos de dispositivos electrónicos, como sensores portátiles ultrafinos, transistores y componentes informáticos flexibles, y dispositivos de imagen compactos y de alta sensibilidad.
Los investigadores han estado experimentando con métodos para desarrollar, pelar y apilar elementos semiconductores y fabricar membranas electrónicas ultradelgadas y multifuncionales de película delgada.
El método utilizado se denomina epitaxia remota, una técnica en la que se cultivan materiales semiconductores sobre un sustrato monocristalino, con una capa ultrafina de grafeno entre ellos. La estructura cristalina del sustrato sirve como andamio sobre el que puede crecer el nuevo material. El grafeno actúa como una capa antiadherente, similar al teflón, lo que facilita a los investigadores despegar la nueva película y transferirla a dispositivos electrónicos flexibles y apilados. Tras despegar la nueva película, el sustrato subyacente puede reutilizarse para crear películas delgadas adicionales.
Al probar diferentes combinaciones de elementos semiconductores, los investigadores observaron que un material piroeléctrico, llamado PMN-PT, no requería una capa intermedia para separarse de su sustrato. Simplemente cultivando PMN-PT directamente sobre un sustrato monocristalino, los investigadores pudieron retirar la película cultivada, sin desgarros ni rasgaduras en su delicada red.
Átomos de plomo como unidades antiadherentes
Tras analizar más a fondo el proceso, se descubrió que la clave de la facilidad de despegado del material era el plomo. Como parte de su estructura química, la película piroeléctrica contiene una disposición ordenada de átomos de plomo con gran afinidad electrónica, lo que significa que el plomo atrae electrones e impide que los portadores de carga viajen y se conecten con otros materiales, como un sustrato subyacente. El plomo actúa como diminutas unidades antiadherentes, permitiendo que el material se despegue completamente intacto.
En base a este descubrimiento, los investigadores fabricaron múltiples películas ultrafinas de PMN-PT, cada una de aproximadamente 10 nanómetros de espesor. Desprendieron las películas piroeléctricas y las transfirieron a un pequeño chip para formar una matriz de 100 píxeles ultrafinos termosensibles, cada uno de aproximadamente 60 micras cuadradas
Las películas se expusieron a cambios de temperatura cada vez más sutiles y se descubrió que los píxeles eran altamente sensibles a pequeños cambios en el espectro infrarrojo lejano. La sensibilidad del conjunto piroeléctrico es comparable a la de los dispositivos de visión nocturna de última generación. Estos dispositivos se basan actualmente en materiales fotodetectores, en los cuales un cambio de temperatura induce a los electrones del material a un salto de energía y a cruzar brevemente una banda prohibida de energía, antes de volver a su estado fundamental. Este salto de electrones sirve como señal eléctrica del cambio de temperatura. Sin embargo, esta señal puede verse afectada por el ruido ambiental y, para evitar estos efectos, los fotodetectores deben incluir también dispositivos de refrigeración que reduzcan los instrumentos a temperaturas de nitrógeno líquido.
Aplicaciones de la película electrónica ultradelgada
Los investigadores también descubrieron que las películas presentaban una sensibilidad superior al rango de los dispositivos de visión nocturna actuales y podían responder a longitudes de onda de todo el espectro infrarrojo. Esto sugiere que podrían incorporarse en dispositivos pequeños, ligeros y portátiles para diversas aplicaciones que requieren diferentes regiones infrarrojas.
La película podría utilizarse en sensores de gas para la monitorización ambiental in situ en tiempo real, lo que ayuda a detectar contaminantes. En electrónica, podrían monitorizar los cambios de temperatura en chips semiconductores para detectar señales tempranas de fallos en los componentes.
El equipo afirma que el nuevo método de despegue puede generalizarse a materiales que no contengan plomo. En esos casos, los investigadores sospechan que pueden infundir átomos de plomo similares al teflón en el sustrato subyacente para inducir un efecto de despegue similar. Por ahora, el equipo trabaja activamente para incorporar las películas piroeléctricas en un sistema funcional de visión nocturna.