Es un mundo material, y extremadamente versátil, considerando que sus bloques de construcción más básicos, los átomos, se pueden conectar para formar diferentes estructuras que conservan la misma composición.
El diamante y el grafito, por ejemplo, son solo dos de los muchos polimorfos del carbono, lo que significa que ambos tienen la misma composición química y difieren solo en la forma en que sus átomos están conectados. Pero qué gran diferencia hace la conectividad:El primero entra en un ring y cuesta miles de dólares, mientras que el segundo tiene que sentarse contenido dentro de un humilde lápiz.
El dióxido de hafnio compuesto inorgánico comúnmente utilizado en revestimientos ópticos también tiene varios polimorfos, incluida una forma tetragonal con propiedades muy atractivas para chips de computadora y otros elementos ópticos. Sin embargo, debido a que esta forma es estable solo a temperaturas superiores a 3100 grados Fahrenheit, pienseinfierno ardiente: los científicos han tenido que conformarse con su polimorfo monoclínico más limitado. Hasta ahora.
Un equipo de investigadores dirigido por la química Beth Guiton de la Universidad de Kentucky y el químico Sarbajit Banerjee de la Universidad de Texas A&M en colaboración con el ingeniero científico de materiales de Texas A&M Raymundo Arroyave ha encontrado una manera de lograr esta fase tetragonal muy buscada a 1100 grados Fahrenheit -Piense en la temperatura cercana a la habitación y en el santo grial potencial para la industria de la computación, junto con otros innumerables sectores y aplicaciones.
La investigación del equipo, publicada hoy en Comunicaciones de la naturaleza , detalla su observación de esta espectacular transformación átomo por átomo, presenciada con la ayuda de microscopios increíblemente poderosos en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Después de reducir por primera vez las partículas monoclínicas de dióxido de hafnio al tamaño de diminutas nanovarillas de cristal, las calentaron gradualmente, prestando mucha atención a la estructura similar a un código de barras que caracteriza a cada nanovarilla y, en particular, a su par de franjas de formación de fallas a nanoescala que parecen funcionar como zona cero para la transición.
"En este estudio estamos viendo una pequeña varilla de óxido de metal transformarse de una estructura, que es el material típico que se encuentra a temperatura ambiente, en una estructura relacionada diferente que no suele ser estable por debajo de 3100 grados Fahrenheit", dijo Guiton, quien es unprofesor asociado de química en la Facultad de Artes y Ciencias del Reino Unido. "Esto es significativo porque el material de alta temperatura tiene propiedades asombrosas que lo convierten en un candidato para reemplazar el dióxido de silicio en la industria de los semiconductores, que se basa en el silicio".
La industria de los semiconductores ha confiado durante mucho tiempo en el dióxido de silicio como su capa delgada y no conductora de elección en el espacio crítico entre el electrodo de puerta, la válvula que enciende y apaga un transistor, y el transistor de silicio.La capa no conductora es lo que permite que los transistores se vuelvan más pequeños y más rápidos, pero Guiton señala que existe algo así como demasiado delgado: el punto en el que los electrones comienzan a moverse a través de la barrera, calentando así su entorno y drenando energía.de nosotros hemos visto y sentido este escenario hasta cierto punto juego de palabras intencionado, por ejemplo, mientras miramos videos en nuestros teléfonos y la batería se agota simultáneamente cuando el dispositivo en nuestra palma comienza a calentarse notablemente.
A medida que los chips de computadora se vuelven más pequeños, más rápidos y más potentes, sus capas aislantes también deben ser mucho más robustas, actualmente un factor limitante para la tecnología de semiconductores. Guiton dice que esta nueva fase de hafnia es un orden de magnitud mejor para resistir los campos aplicados.
Cuando se trata de ver la transición estructural de hafnia entre su estado monoclínico tradicional y esta fase tetragonal comercialmente deseable a temperatura cercana a la habitación, Banerjee dice que no es diferente a la televisión popular, específicamente, el "Salón de las Caras" en el programa de HBO "Gamede Tronos."
"En esencia, hemos podido observar en tiempo real, átomo por átomo, cómo la hafnia se transforma en una nueva fase, al igual que Arya Stark con una nueva cara", dijo Banerjee.hafnia tiene un valor de 'k' mucho más alto que representa su capacidad para almacenar carga, lo que permitiría que los transistores funcionen muy rápido mientras simplemente beben energía en lugar de agotarla. Las rayas resultan ser realmente importantes, ya que ahí es donde comienza la transicióncomo la hafnia pierde sus rayas ".
Arroyave acredita la información a escala atómica en tiempo real por permitirle al grupo darse cuenta de que la transformación ocurre de una manera muy diferente a niveles de nanoescala que dentro de las partículas macroscópicas que resultan en la forma monoclínica de hafnia. El hecho de que es a nanoescalaen primer lugar, es la razón por la que dice que la transición ocurre a la temperatura ambiente o mucho más cerca de ella.
"A través de la síntesis a nanoescala, la 'altura' de la barrera de energía que separa las dos formas se ha reducido, lo que hace posible observar la hafnia tetragonal a temperaturas mucho más bajas de lo habitual", dijo Arroyave. "Esto apunta hacia estrategias que podríanser utilizado para estabilizar una serie de formas útiles de materiales que pueden habilitar una amplia gama de funcionalidades y tecnologías asociadas. Este es solo un ejemplo de las vastas posibilidades que existen cuando comenzamos a explorar el espacio de materiales 'metaestables' ".
Banerjee dice que este estudio sugiere una forma de estabilizar la fase tetragonal a la temperatura real de la habitación, lo que él mismo logró anteriormente a través de un método diferente el año pasado, y grandes implicaciones para los transistores rápidos de bajo consumo de energía capaces decontrolando la corriente sin consumir energía, reduciendo la velocidad o produciendo calor.
"Las posibilidades son infinitas, incluidas computadoras portátiles aún más potentes que no se calientan y beben energía de sus baterías y teléfonos inteligentes que 'mantienen la calma y continúan'", dijo Banerjee.trucos para otros polimorfos de dióxido de hafnio y otros materiales, aislando otras fases que no se estabilizan fácilmente a temperatura ambiente pero que también pueden tener propiedades extrañas y deseables ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Kentucky . Original escrito por Shana Hutchins y Jenny Wells. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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