Un método que permite mejorar la eficiencia de los transistores hechos de disulfuro de molibdeno (MoS2), material ya ampliamente utilizado como lubricante sólido, que ha estado atrayendo la atención de la comunidad científica en los últimos años por sus propiedades electrónica
Karina Ninni | Agencia FAPESP –
Científicos del Centro de Investigación Avanzada en Grafeno, Nanomateriales y Nanotecnologías de la Universidad Presbiteriana mackenzie(MackGraphe),en colaboración con colegas de la Universidad Estatal de Pensilvania (EE.UU.) y otras instituciones, describió en la revista Science Advances un método que permite mejorar la eficiencia de los transistores hechos de disulfuro de molibdeno (MoS2), material ya ampliamente utilizado como lubricante sólido, que ha estado atrayendo la atención de la comunidad científica en los últimos años por sus propiedades electrónicas y ópticas. El grupo aplicó átomos de oro en un transistor MoS2 y, con esto, logró mejorar la conductividad eléctrica del dispositivo. Además, se dio cuenta de que los átomos de oro también mejoraron su conductividad térmica.
«MoS2 es un dicalcogenete metálico de transición [TMD] formado por dos átomos de azufre, que es un chalcogen, por cada átomo de molibdeno, el metal de transición. Este material forma un cristal bidimensional, al igual que el grafeno. Tanto el MoS2 natural como el grafito [del que se obtiene grafeno] son lo que llamamos materiales lamelares, ya que se producen en diapositivas, siendo posible realizar una delaminación y alcanzar una sola capa. Lo interesante de este grupo es que varios de ellos, incluido el MoS2, son semiconductores», explica Christiano José Santiago de Matos,coordinador de un Proyecto Temático realizado en MackGraphe, con el apoyo de FAPESP.
Como explica el investigador, los materiales semiconductores son más fáciles de controlar la conductividad eléctrica que en los conductores, como el grafeno, por ejemplo. «En semiconductores, como silicio y MoS2, es posible controlar el paso o no de la corriente. Estos materiales son muy importantes para la electrónica, cuya base es el código binario 0 y 1; este es el ‘lenguaje’ de las computadoras digitales», dice.
Una de las estrategias para controlar la conductividad del semiconductor es el dopaje: se añade un átomo de otro material al semiconductor, reemplazando un átomo original, que se elimina. Pero en los materiales bidimensionales, o lamelar, esta eliminación seguida de la sustitución posterior (es decir, la «creación de defectos» demasiado en el material) a veces termina obstaculizando la conductividad, en lugar de mejorarla.
Para evitar este efecto, los científicos salpican el material sin reemplazar los átomos, pero añadiendo otros. «Utilizamos los conceptos de un área de química llamada química de coordinación en la que, en lugar de tomar átomos – de azufre o molibdeno – aplicamos átomos de oro a la superficie del material. Por lo tanto, permitimos la aparición de una interacción entre las cargas mos2 y oro, en la que parte de los electrones semiconductores terminan parcialmente atrapados en los átomos metálicos. Los átomos de oro desempeñan un papel de retención de electrones del material, que luego se convierte en cargas excesivas, comenzando a tener una mayor conductividad. Así, ofrecemos la posibilidad de mejorar el control del dispositivo causando poco impacto en su rendimiento», afirma Matos.
Según él, existe una buena probabilidad de que este tipo de técnica, mejorada y suficientemente estudiada, llegue a dispositivos electrónicos comerciales, ya que el MoS2 y otros materiales lamelares han sido ampliamente estudiados, incluyendo para la fabricación de transistores, que son los componentes básicos de chips electrónicos, responsables de la memoria, operaciones lógicas y flujos de comunicación en computadoras.
«Nuestro trabajo representa un avance significativo en el área, ya que el transistor es una unidad básica para la electrónica binaria. El primer dispositivo hecho de grafeno fue precisamente un transistor. Sólo el grafeno es un conductor. Por lo tanto, el rendimiento de un transistor de grafeno, en comparación con un transistor de silicio, es mucho peor en términos de la posibilidad de «encender y apagar la corriente». Frente a esto, por supuesto, los científicos volvieron sus ojos a otros materiales 2D que eran semiconductores. El MoS2 ha aparecido como un gran candidato y los transistores hechos con él están siendo cada vez más estudiados», dice.
El proyecto recibió el apoyo de fapesp para la adquisición de equipos multiusuario,además de becas postdoctorales – en Brasil y en el extranjero – otorgadas a Daniel Grasseschi,coautor del artículo y actualmente profesor de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ). El trabajo también cuenta con la participación de científicos de la Universidad shinshu en Japón, la Universidad de Virginia y la Universidad de Binghamton, ambos en los Estados Unidos.
Motivación
Matos dice que varios desafíos han movido el trabajo, incluyendo una cuestión de química básica. «Esta técnica de dopaje, específicamente, aún no se había utilizado en materiales bidimensionales. Hay varios artículos que demuestran técnicas de dopaje, pero la mayoría se basan en la sustitución de átomos. Y cuando agregas algo a la superficie, son moléculas mucho más complicadas. Trabajar con átomos de oro aislados es algo raro porque tienen una tendencia muy grande a agruparse; es difícil mantener aislado un átomo de oro. Pero demostramos que una vez que se puede utilizar la técnica, es relativamente simple, y tiene aplicaciones importantes.»
Además de mejorar la conductividad eléctrica, la presencia de átomos de oro ha tenido un efecto en la conductividad térmica. «La disipación térmica es otro problema de los dispositivos electrónicos. Si el dispositivo genera calor que no se disipa, termina dañado. La aplicación de átomos de oro dio lugar a una mejora que podría aplicarse para aumentar la tasa de disipación de calor de los transistores 2D basados en este y otros TMD semiconductores», explica.
Otra característica de los semiconductores, que es la emisión de luz, también ha sufrido modificaciones. «El color, la frecuencia de la luz emitida, es el resultado de las características del material. Al dominar el semiconductor, modificamos estas características. Hicimos algunos estudios con este material modificado y nos dimos cuenta de que hay una diferencia en la emisión de luz: el conjunto de frecuencias disponibles en la luz emitida era diferente en el material añadido con los átomos de oro. Continuaremos con los estudios ópticos», afirma Matos, señalando que la emisión de luz es otra aplicación de estos materiales, ya utilizados para este fin en equipos electrónicos.
Para probar la conductividad de los transistores más átomos de oro, los científicos construyeron diez dispositivos. Luego utilizaron microscopía electrónica para visualizar la interacción entre átomos dorados y átomos de azufre en la superficie de los dispositivos. «Gran parte del proceso experimental de dopaje mos2, pruebas iniciales e imágenes de microscopía electrónica fue realizado por Daniel Grasseschi durante sus estudios postdoctorales en la Universidad Estatal de Pensilvania, con la participación de más de un grupo allí, bajo la batuta del grupo del profesor Mauricio Terrones. Construyeron varios transistores, todos funcionaron bien, y la conductividad fue poco afectada. Cuando regresó, hicimos caracterizaciones ópticas y espectroscópicas aquí en MackGraphe. Toda la parte de la simulación por ordenador también fue realizada en Mackenzie, por el profesor Leandro Seixas, con contribuciones de la profesora Camila Maroneze», informa.
La intención de los científicos ahora es demostrar que la técnica funciona con otros materiales. «Es posible cambiar tanto el metal utilizado como el TMD, pero hay algunos desafíos en el uso de otros metales y la razón es la siguiente: la química de coordinación depende en gran medida del número de electrones disponibles en la última capa del metal. El oro y la plata, por ejemplo, tienen el mismo número de electrones en la última capa y están en la misma columna de la tabla periódica. Así que si cambiamos el oro por la plata, la reacción química ocurre de manera muy similar. Lo demostramos en el artículo porque hicimos algunas pruebas de plata. Ahora, si tratamos de usar metales de otras columnas de la tabla, estamos lidiando con diferentes números de electrones en la última capa, y luego la química cambia».
El artículo, titulado Funcionalización química espontánea a través de la coordinación de átomos au single en monocapa MoS2, poda se lee en https://advances.sciencemag.org/content/6/49/eabc9308.