Los científicos han visualizado la estructura electrónica en un dispositivo microelectrónico por primera vez, abriendo oportunidades para dispositivos electrónicos de alto rendimiento finamente ajustados.
Los físicos de la Universidad de Warwick y la Universidad de Washington han desarrollado una técnica para medir la energía y el impulso de los electrones en el funcionamiento de dispositivos microelectrónicos hechos de materiales atómicamente delgados, los llamados bidimensionales.
Con esta información, pueden crear representaciones visuales de las propiedades eléctricas y ópticas de los materiales para guiar a los ingenieros a maximizar su potencial en los componentes electrónicos.
El estudio dirigido experimentalmente se publica en Naturaleza hoy 17 de julio y también podría ayudar a allanar el camino para los semiconductores bidimensionales que probablemente desempeñen un papel en la próxima generación de electrónica, en aplicaciones como energía fotovoltaica, dispositivos móviles y computadoras cuánticas.
La estructura electrónica de un material describe cómo se comportan los electrones dentro de ese material y, por lo tanto, la naturaleza de la corriente que fluye a través de él. Ese comportamiento puede variar según el voltaje, la cantidad de 'presión' en sus electrones, aplicada ael material y, por lo tanto, los cambios en la estructura electrónica con voltaje determinan la eficiencia de los circuitos microelectrónicos.
Estos cambios en la estructura electrónica de los dispositivos operativos son los que sustentan toda la electrónica moderna. Hasta ahora, sin embargo, no ha habido forma de ver directamente estos cambios para ayudarnos a comprender cómo afectan el comportamiento de los electrones.
Al aplicar esta técnica, los científicos tendrán la información que necesitan para desarrollar componentes electrónicos 'ajustados' que funcionen de manera más eficiente y operen a un alto rendimiento con un menor consumo de energía. También ayudará en el desarrollo de semiconductores bidimensionales que se vencomo componentes potenciales para la próxima generación de electrónica, con aplicaciones en electrónica flexible, energía fotovoltaica y espintrónica. A diferencia de los semiconductores tridimensionales actuales, los semiconductores bidimensionales constan de solo unas pocas capas de átomos.
El Dr. Neil Wilson del Departamento de Física de la Universidad de Warwick dijo: "La forma en que cambia la estructura electrónica con el voltaje es lo que determina cómo funciona un transistor en su computadora o televisión. Por primera vez estamos visualizando directamente esos cambios. No podemosver cómo eso cambia con los voltajes fue un gran eslabón perdido. Este trabajo está en el nivel fundamental y es un gran paso en la comprensión de los materiales y la ciencia detrás de ellos.
"La nueva comprensión de los materiales nos ha ayudado a comprender las brechas de banda de estos semiconductores, que es el parámetro más importante que afecta su comportamiento, desde qué longitud de onda de luz emiten hasta cómo cambian la corriente en un transistor".
La técnica utiliza espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo ARPES para 'excitar' electrones en el material elegido. Al enfocar un haz de luz ultravioleta o de rayos X en átomos en un área localizada, los electrones excitados son eliminados de suLos científicos pueden medir la energía y la dirección de viaje de los electrones, a partir de los cuales pueden calcular la energía y el momento que tenían dentro del material utilizando las leyes de conservación de la energía y el momento. Eso determina la estructura electrónica deel material, que luego se puede comparar con predicciones teóricas basadas en cálculos de estructura electrónica de última generación realizados en este caso por el grupo de investigación del coautor, el Dr. Nicholas Hine.
El equipo probó primero la técnica utilizando grafeno antes de aplicarla a semiconductores bidimensionales de dicalcogenuro de metal de transición TMD. Las mediciones se tomaron en la línea de espectromicroscopía en el sincrotrón ELETTRA en Italia, en colaboración con el Dr. Alexei Barinov y su grupo allí.
El Dr. David Cobden, profesor del Departamento de Física de la Universidad de Washington, dijo: "Solía ser que la única forma de aprender sobre lo que hacen los electrones en un dispositivo semiconductor en funcionamiento era comparar sus características de voltaje y corrientecon modelos complicados. Ahora, gracias a los avances recientes que permiten aplicar la técnica ARPES en puntos diminutos, combinada con la llegada de materiales bidimensionales donde la acción electrónica puede estar en la misma superficie, podemos medir directamente el espectro electrónicoen detalle y ver cómo cambia en tiempo real. Esto cambia el juego ".
El Dr. Xiaodong Xu, del Departamento de Física y del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Washington, dijo: "Esta poderosa técnica de espectroscopia abrirá nuevas oportunidades para estudiar fenómenos fundamentales, como la visualización de la transición de fase topológica eléctricamente sintonizabley efectos del dopaje en las fases electrónicas correlacionadas, que de otra manera serían un desafío "
La investigación fue apoyada por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas, parte de Investigación e Innovación del Reino Unido, y el Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Warwick . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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