Aprovechando materiales 2D retorcidos para revolucionar la electrónica

La nanotecnología se refiere a la manipulación de materia a escala de pocos nanómetros (nm). Para contexto, una hoja de papel tiene aproximadamente 100,000 nm de grosor. Dominando los fenómenos únicos que emergen a esta escala, los científicos pueden desarrollar dispositivos más pequeños, rápidos y energéticamente eficientes.

En IBM Research, y con apoyo de socios gubernamentales, los investigadores sondean la nanoescala para aumentar densidad de potencia y eficiencia energética en todo el espectro de electrónica —desde smartphones y sensores IoT hasta los masivos centros de datos en la nube que alimentan internet.

Un esfuerzo pionero es liderado por el Dr. Elad Koren del laboratorio de IBM Zurich. Financiado por el programa Ambizione de la Fundación Nacional Suiza de Ciencia, el equipo investiga la física fundamental de apilar materiales bidimensionales (2D), con foco particular en grafeno.

Las propiedades electrónicas excepcionales del grafeno lo convierten en favorito para futuros dispositivos semiconductores y cuánticos. Cuando dos capas idénticas de grafeno se apilan en ángulos relativos precisos, forman superredes periódicas que pueden abrir una banda prohibida —paso esencial hacia transistores de próxima generación que sean potentes y energéticamente eficientes.

En septiembre 2016, Koren y colegas publicaron sus primeros resultados en la revista revisada por pares Nature Nanotechnology. Usando la punta de un microscopio de fuerza atómica, lograron control sub-grado sobre la alineación rotacional de las capas, produciendo el dispositivo en forma de llave mostrado en Figura 1.

El dispositivo puede rotar 360° completos, actuando como interruptor ultra-preciso para un TFET. Esta capacidad es crítica para minimizar corrientes de fuga y reducir consumo energético total de circuitos electrónicos.

"Hemos logrado precisión sin precedentes en el control de configuración rotacional con resolución angular mejor que 0.1°, permitiendo tanto estudios fundamentales como realización de dispositivos prácticos," dijo Koren.

El control preciso sobre el ángulo de apilamiento permite a ingenieros adaptar una amplia gama de propiedades físicas —electrónicas, ópticas, termoeléctricas y electromecánicas— abriendo avenidas para materiales innovadores en ciencia y tecnología.

Cuando una celda de cristal única se tuerce, genera un flujo magnético alto que da lugar a la mariposa de Hofstadter —un patrón teórico describiendo comportamiento de electrones en campos magnéticos fuertes combinados con potenciales periódicos.

La fricción sigue siendo un desafío incluso a nanoescala, donde puede generar calor, desgaste y pérdida de energía. Sin embargo, el desajuste rotacional en sistemas 2D en capas suprime dramáticamente la fricción, fenómeno conocido como superlubricidad.

"Prácticamente no hay fricción —una vez encuentras el ángulo correcto, las capas se deslizan suavemente," explicó Koren.

Compartiendo estos hallazgos con la comunidad investigadora amplia, Koren espera inspirar conceptos novedosos de materiales y dispositivos que moldearán el futuro de la electrónica.