Nueva técnica diseña nanomateriales con una precisión de menos de 10 nanómetros

Podría allanar el camino para una electrónica más rápida y con mayor eficiencia energética.

Investigadores de DTU y Graphene Flagship han llevado el arte de modelar nanomateriales al siguiente nivel.

La creación de patrones precisos de materiales 2D es una ruta hacia el cálculo y el almacenamiento utilizando materiales 2D, que pueden ofrecer un mejor rendimiento y un consumo de energía mucho menor que la tecnología actual.

Uno de los descubrimientos recientes más importantes dentro de la física y la tecnología de materiales son los materiales bidimensionales como el grafeno.

El grafeno es más fuerte, más blando, más liviano y mejor para conducir el calor y la electricidad que cualquier otro material conocido.

Su característica más singular es quizás su capacidad de programación.

Al crear patrones delicados en estos materiales, podemos cambiar sus propiedades drásticamente y posiblemente hacer precisamente lo que necesitamos.

En DTU, los científicos han trabajado para mejorar el estado del arte durante más de una década en el modelado de materiales 2D, utilizando sofisticadas máquinas de litografía en las instalaciones de sala blanca de 1500 m².

Su trabajo se basa en el Centro de Grafeno Nanoestructurado de DTU, con el apoyo de la Fundación Nacional de Investigación Danesa y una parte de The Graphene Flagship.

El sistema de litografía por haz de electrones en DTU Nanolab puede escribir detalles de hasta 10 nanómetros.

Los cálculos por computadora pueden predecir exactamente la forma y el tamaño de los patrones en el grafeno para crear nuevos tipos de electrónica.

Pueden explotar la carga del electrón y las propiedades cuánticas, como los grados de libertad de espín o valle, lo que lleva a cálculos de alta velocidad con mucho menos consumo de energía.

Sin embargo, estos cálculos requieren una resolución más alta que la que pueden ofrecer incluso los mejores sistemas de litografía: resolución atómica.

“Si realmente queremos desbloquear el cofre del tesoro para la futura electrónica cuántica, tenemos que ir por debajo de los 10 nanómetros y acercarnos a la escala atómica“, dice el profesor y líder del grupo en DTU Physics, Peter Bøggild.

Y eso es exactamente lo que los investigadores han logrado hacer.

“Demostramos en 2019 que agujeros circulares colocados con un espaciado de solo 12 nanómetros convierten el grafeno semimetálico en un semiconductor.

Ahora sabemos cómo crear agujeros circulares y otras formas como triángulos, con esquinas afiladas nanométricas.

Dichos patrones pueden clasificar electrones en función de su giro y crean componentes esenciales para espintrónica o valleytronics.

La técnica también funciona en otros materiales 2D.

Con estas estructuras superpequeñas, podemos crear metalentes muy compactas y eléctricamente sintonizables para ser utilizadas en comunicaciones de alta velocidad y biotecnología “, explica Peter Bøggild.

La investigación fue dirigida por el postdoctorado Lene Gammelgaard, un graduado de ingeniería de DTU en 2013 que desde entonces ha jugado un papel vital en la exploración experimental de materiales 2D en DTU:

“El truco consiste en colocar el nanomaterial de nitruro de boro hexagonal encima del material que desea modelar.

Luego, perfora agujeros con una receta de grabado en particular”, dice Lene Gammelgaard, y continúa:

“El proceso de grabado que desarrollamos durante los últimos años redujo los patrones por debajo del límite irrompible de nuestros sistemas de litografía por haz de electrones de aproximadamente 10 nanómetros.

Supongamos que hacemos un agujero circular con un diámetro de 20 nanómetros; el agujero en el grafeno puede ser reducido a 10 nanómetros.

Mientras que si hacemos un agujero triangular, con los agujeros redondos provenientes del sistema de litografía, la reducción hará un triángulo más pequeño con esquinas autoafiladas.

Por lo general, los patrones se vuelven más imperfectos cuando los haces más pequeños.

Esto es todo lo contrario, y esto nos permite recrear las estructuras que las predicciones teóricas nos dicen que son óptimas “.

Uno puede, por ejemplo, producir metalentes electrónicos planos, una especie de lente óptica supercompacta que se puede controlar eléctricamente a frecuencias muy altas y que, según Lene Gammelgaard, pueden convertirse en componentes esenciales para la tecnología de la comunicación y la biotecnología del futuro.

La otra persona clave es una joven estudiante, Dorte Danielsen.

Se interesó en la nanofísica después de una pasantía de noveno grado en 2012, ganó un lugar en la final de una competencia nacional de ciencias para estudiantes de secundaria en 2014 y realizó estudios en Física y Nanotecnología bajo el programa de honores de DTU para estudiantes de élite.

Ella explica que el mecanismo detrás de las estructuras de “superresolución” aún no se comprende bien:

“Tenemos varias explicaciones posibles para este comportamiento de grabado inesperado, pero todavía hay mucho que no entendemos.

Aún así, es una técnica emocionante y muy útil para nosotros.

Al mismo tiempo, es una buena noticia para los miles de investigadores en todo el mundo empujando los límites de la nanoelectrónica y nanofotónica 2D“.

Fuente: ACS