El descubrimiento del intrigante comportamiento de los materiales a peque\u00f1a escala podr\u00eda reducir la demanda de energ\u00eda para la inform\u00e1tica. A medida que los dispositivos electr\u00f3nicos se vuelven cada vez m\u00e1s peque\u00f1os, los materiales que los alimentan necesitan volverse cada vez m\u00e1s delgados. Debido a esto, uno de los desaf\u00edos clave que enfrentan los cient\u00edficos en el desarrollo de la pr\u00f3xima generaci\u00f3n de productos electr\u00f3nicos eficientes desde el punto de vista energ\u00e9tico es descubrir materiales que puedan mantener propiedades electr\u00f3nicas especiales en un tama\u00f1o ultradelgado.<\/p>\n\n\n\n
Los materiales avanzados conocidos como ferroel\u00e9ctricos presentan una soluci\u00f3n prometedora para ayudar a reducir el consumo de energ\u00eda de los dispositivos electr\u00f3nicos ultrapeque\u00f1os que se encuentran en los tel\u00e9fonos celulares y las computadoras. Los ferroel\u00e9ctricos, el an\u00e1logo el\u00e9ctrico de los ferroimanes, son una clase de materiales en los que algunos de los \u00e1tomos est\u00e1n dispuestos descentrados, lo que lleva a una polarizaci\u00f3n o carga el\u00e9ctrica interna espont\u00e1nea. Esta polarizaci\u00f3n interna puede invertir su direcci\u00f3n cuando los cient\u00edficos exponen el material a un voltaje externo. Esto ofrece una gran promesa para la microelectr\u00f3nica de potencia ultrabaja.<\/p>\n\n\n\n
Desafortunadamente, los materiales ferroel\u00e9ctricos convencionales pierden su polarizaci\u00f3n interna por debajo de unos pocos nan\u00f3metros de espesor. Esto significa que no son compatibles con la tecnolog\u00eda de silicio actual. Este problema ha impedido previamente la integraci\u00f3n de ferroel\u00e9ctricos en microelectr\u00f3nicos.<\/p>\n\n\n\n
Pero ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Berkeley (UC Berkeley) que realiza experimentos en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energ\u00eda de EE. UU. (DOE) ha encontrado una soluci\u00f3n que resuelve simult\u00e1neamente ambos problemas al crear el ferroel\u00e9ctrico m\u00e1s delgado jam\u00e1s reportado y la demostraci\u00f3n m\u00e1s delgada de una memoria en silicio en funcionamiento.<\/p>\n\n\n\n
En un estudio publicado en la revista Science, el equipo de investigaci\u00f3n descubri\u00f3 la ferroelectricidad estable en una capa ultrafina de di\u00f3xido de circonio de apenas medio nan\u00f3metro de espesor. Ese es el tama\u00f1o de un solo bloque de construcci\u00f3n at\u00f3mico, unas 200.000 veces m\u00e1s delgado que un cabello humano. El equipo cultiv\u00f3 este material directamente sobre silicio. Descubrieron que la ferroelectricidad emerge en el di\u00f3xido de circonio, normalmente un material no ferroel\u00e9ctrico, cuando se vuelve extremadamente delgado, de aproximadamente 1 a 2 nan\u00f3metros de espesor.<\/p>\n\n\n\n
En particular, el comportamiento ferroel\u00e9ctrico contin\u00faa hasta su l\u00edmite de espesor cercano a la escala at\u00f3mica de aproximadamente medio nan\u00f3metro. Este avance fundamental marca el ferroel\u00e9ctrico m\u00e1s delgado del mundo. Esto es sorprendente para un material que ni siquiera es t\u00edpicamente ferroel\u00e9ctrico en su forma masiva.<\/p>\n\n\n\n
Los investigadores tambi\u00e9n pudieron cambiar la polarizaci\u00f3n en este material ultrafino de un lado a otro con un peque\u00f1o voltaje, lo que permiti\u00f3 la demostraci\u00f3n m\u00e1s delgada de una memoria de trabajo jam\u00e1s reportada en silicio. Tambi\u00e9n ofrece una promesa sustancial para la electr\u00f3nica de eficiencia energ\u00e9tica, especialmente teniendo en cuenta que el di\u00f3xido de circonio convencional ya est\u00e1 presente en los chips de silicio de \u00faltima generaci\u00f3n de la actualidad.<\/p>\n\n\n\n
“Este trabajo da un paso clave hacia la integraci\u00f3n de la ferroel\u00e9ctrica en la microelectr\u00f3nica a gran escala”, dijo Suraj Cheema, investigador postdoctoral en la UC Berkeley, el primer autor del estudio.<\/p>\n\n\n\n
Visualizar el comportamiento ferroel\u00e9ctrico de tales sistemas ultrafinos requiri\u00f3 el uso de la fuente de fotones avanzada de Argonne, una instalaci\u00f3n para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. “La difracci\u00f3n de rayos X brinda la informaci\u00f3n necesaria sobre c\u00f3mo surge esta ferroelectricidad”, dijo el f\u00edsico de Argonne John Freeland, otro autor del estudio.<\/p>\n\n\n\n
M\u00e1s all\u00e1 del impacto tecnol\u00f3gico inmediato, este trabajo tambi\u00e9n tiene importantes implicaciones para el dise\u00f1o de nuevos materiales bidimensionales.<\/p>\n\n\n\n
“Simplemente exprimir los materiales 3D hasta su l\u00edmite de espesor 2D ofrece una ruta sencilla pero efectiva para desbloquear fen\u00f3menos ocultos en una amplia variedad de materiales simples”, dijo Cheema. “Esto ampl\u00eda enormemente el espacio de dise\u00f1o de materiales para la electr\u00f3nica de pr\u00f3xima generaci\u00f3n para incluir materiales que ya son compatibles con las tecnolog\u00edas de silicio”.<\/p>\n\n\n\n
Como se\u00f1al\u00f3 Cheema, el simple crecimiento de unas pocas capas at\u00f3micas de un material 3D puede ofrecer el potencial para una nueva clase de materiales 2D, materiales 3D at\u00f3micamente delgados, que van m\u00e1s all\u00e1 de las l\u00e1minas convencionales de materiales 2D como el grafeno. Los investigadores esperan que este trabajo motive m\u00e1s investigaciones sobre materiales 3D bidimensionales que muestren fen\u00f3menos electr\u00f3nicos emergentes relevantes para la electr\u00f3nica energ\u00e9ticamente eficiente.<\/p>\n\n\n\n
Este trabajo fue dirigido por Cheema y Sayeef Salahuddin de la UC Berkeley, junto con los coautores Nirmaan Shanker y Shang-Lin Hsu. En la l\u00ednea de luz 33-BM-C de la fuente de fotones avanzada de Argonne, en colaboraci\u00f3n con los f\u00edsicos de Argonne Freeland y Zhan Zhang, los investigadores emplearon la espectroscopia de absorci\u00f3n de rayos X de sincrotr\u00f3n y la difracci\u00f3n de rayos X para investigar la evoluci\u00f3n estructural de la ferroelectricidad a escala at\u00f3mica y explorar su or\u00edgenes electr\u00f3nicos. En la Fuente de Luz Avanzada y Fundici\u00f3n Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, en colaboraci\u00f3n con los cient\u00edficos Padraic Shafer y Jim Ciston, se estudi\u00f3 la estructura cristalina ferroel\u00e9ctrica del material utilizando rayos X suaves y microscop\u00eda electr\u00f3nica de transmisi\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n