Los átomos de oro mejoran la conductividad eléctrica de los transistores

Tras comprobar que este metal noble aumenta la eficiencia de los dispositivos fabricados con disulfuro de molibdeno –un lubricante sólido al que se lo tiene como ‘el reemplazante del silicio’–, científicos del centro MackGraphe, en Brasil, pretenden poner a prueba esta técnica con otros materiales

Karina Ninni | Agência FAPESP – Científicos del Centro de Investigaciones Avanzadas en Grafeno, Nanomateriales y Nanotecnologías de la Universidad Presbiteriana Mackenzie (MackGraphe), en São Paulo, Brasil, en colaboración con pares de la Pennsylvania State University, en Estados Unidos, y de otras instituciones, describieron en la revista Science Advances un método que permite mejorar la eficiencia de los transistores fabricados con disulfuro de molibdeno (MoS₂), un material que ya se utiliza bastante actualmente como lubricante sólido y que ha venido llamando la atención de la comunidad científica durante los últimos años debido a sus propiedades electrónicas y ópticas. Los investigadores aplicaron átomos de oro sobre un transistor de MoS₂ y lograron mejorar la conductividad eléctrica de estos dispositivos. A su vez, notaron también que los átomos de oro mejoraron su conductividad térmica.

“El MoS₂ es un dicalcogenuro de metal de transición [TMD, por sus siglas en inglés] formado por dos átomos de azufre, que es un calcógeno, por cada átomo de molibdeno, el metal de transición. Este material forma un cristal bidimensional, tal como el grafeno. Tanto el MoS₂ natural como el grafito [del cual se obtiene el grafeno] constituyen lo que denominamos como materiales laminares, pues existen en forma de láminas y es posible realizar una delaminación para arribar a una sola capa. Lo interesante de este grupo reside en que varios de ellos, el MoS₂ inclusive, son semiconductores”, explica Christiano José Santiago de Matos, coordinador de un Proyecto Temático que se lleva adelante en el MackGraphe con el apoyo de la FAPESP.

Tal como lo explica el investigador, en los materiales semiconductores es más fácil controlar la conductividad eléctrica que en los conductores, como el grafeno, por ejemplo. “En los semiconductores, tales como el silicio y el MoS₂, es posible controlar el paso o el bloqueo de la corriente eléctrica. Estos materiales son importantísimos para la electrónica, cuya base es el código binario 0 y 1: este es el ‘lenguaje’ de las   computadores digitales”, describe.

Una de las estrategias con miras a controlar la conductividad del semiconductor consiste en el dopaje: se le añade un átomo de otro material al semiconductor en reemplazo de un átomo original, al que se lo retira. Pero en los materiales bidimensionales o laminares esa remoción seguida del posterior reemplazo (es decir, la “creación de defectos” en demasía en el material) suele terminar entorpeciendo la conductividad en lugar de mejorarla.

Para evitar este efecto, los científicos doparon el material sin reemplazar los átomos sino agregándoles otros. “Utilizamos los conceptos de un área de la química denominada química de coordinación, en la cual en lugar de quitar átomos –de azufre o molibdeno–, aplicamos átomos de oro sobre la superficie del material. De este modo, hacemos posible la existencia de una interacción entre las cargas del MoS₂ y del oro, en la cual algunos de los electrones del semiconductor terminan quedando parcialmente aprisionados en los átomos del metal. Los átomos de oro cumplen el papel de retener los electrones del material, que así queda con un exceso de cargas positivas y pasa a tener una mayor conductividad. De este modo, ofrecemos una posibilidad de mejorar el control del dispositivo provocando poco impacto en su rendimiento”, comenta Santiago de Matos.

De acuerdo con el investigador, existen buenas posibilidades de que este tipo de técnica, ya perfeccionada y lo suficientemente estudiada, llegue a los dispositivos electrónicos comerciales, ya que el MoS₂ y otros materiales laminares han venido investigándose exhaustivamente, incluso para la elaboración de transistores, que son los componentes básicos de los chips electrónicos responsables de la memoria, las operaciones lógicas y los flujos de comunicación en las computadoras.

“Nuestro trabajo constituye un avance significativo en el área, ya que los transistores son las unidades básicas de la electrónica binaria. El primer dispositivo elaborado con grafeno fue precisamente un transistor. Pero el grafeno es un conductor. Por eso el rendimiento de un transistor de grafeno, si se lo compara con un transistor de silicio, es mucho menor en lo que se refiere a la posibilidad de ‘encender y apagar’ la corriente. Ante esta situación, por supuesto, los científicos dirigieron sus miradas hacia otros materiales 2D que fuesen semiconductores. El MoS₂ surgió entonces como un excelente candidato, y los transistores elaborados con este material se están estudiando cada vez más”, afirma.
Este proyecto contó con el apoyo de la FAPESP para la adquisición de equipos multiusuarios y mediante becas posdoctorales –en Brasil y en el exterior– otorgadas a Daniel Grasseschi, coautor del artículo y en la actualidad profesor de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ). Y el trabajo cuenta a su vez con la participación de científicos de la Shinshu University, en Japón, de la University of Virginia y de la Binghamton University, ambas en Estados Unidos.

La motivación

Santiago de Matos afirma que el trabajo implicó diversos retos, lo que incluyó una cuestión de química básica. “Esta técnica de dopaje específicamente aún no se había aplicado con materiales bidimensionales. Existen diversos artículos que muestran técnicas de dopaje, pero la mayoría de ellos se basa en el reemplazo de átomos. Cuando se añade algo en la superficie, son moléculas mucho más complicadas. Trabajar con átomos aislados de oro es algo raro, pues estos muestran una gran tendencia a agruparse: es una dificultad mantener un átomo de oro aislado. Pero demostramos que una vez que se lo logra, el empleo de esta técnica es relativamente sencillo y tiene aplicaciones importantes.”

Aparte de mejorar la conductividad eléctrica, la presencia de los átomos de oro surtió efecto en la conductividad térmica. “La disipación térmica es otro problema de los dispositivos electrónicos. Si un dispositivo genera un calor que no se disipa, termina dañado. La aplicación de átomos de oro redundó en una mejora que podría aplicarse para incrementar la tasa de disipación de calor de transistores 2D con base en este y en otros TMD semiconductores”, explica.

La emisión de luz, otra característica de los semiconductores, también fue objeto modificaciones. “El color, la frecuencia de la luz emitida, es el resultado de ciertas características del material. Al dopar el semiconductor, modificamos esas características. Realizamos algunos estudios con ese material modificado y nos percatamos de que existe una diferencia en la emisión de la luz: el conjunto de frecuencias disponibles en la luz emitida fue diferente en el material con átomos de oro. Seguiremos adelante con los estudios de óptica”, comenta Santiago de Matos, quien remarca a su vez que la emisión de luz constituye otra aplicación de estos materiales, que ya se utilizan con este fin en aparatos electrónicos.

Para probar la conductividad de los transistores con el añadido de átomos de oro, los científicos construyeron diez dispositivos. Luego utilizaron microscopía electrónica para visualizar la interacción entre los átomos de oro y los átomos de azufre en la superficie de los dispositivos. “Buena parte del proceso experimental de dopaje del MoS₂, las pruebas iniciales y las imágenes de microscopía electrónica estuvieron a cargo Daniel Grasseschi, durante su posdoctorado en la Universidad del Estado de Pensilvania, con la participación de más de un grupo de científicos estadounidenses, bajo la batuta del grupo del profesor Mauricio Terrones. Y construyeron varios transistores: todos funcionaron bien y la conductividad se vio poco afectada. Cuando el investigador regresó, efectuamos las caracterizaciones ópticas y espectroscópicas acá en el MackGraphe. Toda la parte de simulación computacional también tuvo lugar acá en Mackenzie, a cargo del profesor Leandro Seixas y con aportes de la profesora Camila Maroneze”, comenta.

La intención de los científicos ahora es demostrar que esta técnica funciona con otros materiales. “Es posible cambiar tanto el metal empleado como el TMD, pero surgen algunos retos a la hora de utilizar otros metales. La razón de ellos es que la química de coordinación depende mucho de la cantidad de electrones disponibles en la última capa del metal. El oro y la plata, por ejemplo, tienen la misma cantidad de electrones en la última capa y están ubicados en la misma columna de la tabla periódica. Por eso, si cambiamos oro por plata, la reacción química transcurre de manera muy similar. Demostramos eso en el artículo, pues llevamos a cabo algunas pruebas con plata. Ahora bien, en caso de intentar emplear metales de otras columnas de la tabla, estaremos trabajando con cantidades distintas de electrones en la última capa; entonces cambia la química.”

Puede leerse el artículo intitulado Spontaneous chemical functionalization via coordination of Au single atoms on monolayer MoS₂,  en el siguiente enlace: https://advances.sciencemag.org/content/6/49/eabc9308.