Transistores de efecto de campo ferroeléctricos reconfigurables con canales de nanotubos de carbono de pared simple

El rápido desarrollo de internet y de la inteligencia artificial ha acelerado la generación de datos imponiendo una mayor demanda en su procesamiento. Para procesarlos de manera eficiente se requiere reducir la dimensión de los dispositivos y el voltaje de operación y, con ello, el consumo de energía. 

Sin embargo, con la tecnología actual de transistores de efecto de campo (FET) como los transistores complementarios metal-oxido-semiconductor (CMOS) de silicio, lograr estas mejoras se ha vuelto difícil debido a limitaciones físicas: cuando los transistores se hacen demasiado pequeños aparecen problemas de control eléctrico. En particular, la reducción del tamaño se dificulta por efectos ligados a la corta longitud del canal, mientras que bajar el voltaje por debajo de 1 V está restringido por el límite de Boltzmann, que depende de la relación constante entre el potencial de interacción y el recorrido libre medio de los transportadores de carga.

Ante estas limitaciones, una alternativa prometedora son los transistores reconfigurables, capaces de cambiar su funcionamiento después de fabricados. Un caso especial son los transistores FeFET reconfigurables, que pueden funcionar como transistores de tipo p o de tipo n según se necesite.

Un equipo de investigación de Corea, EE.UU. y China desarrolló este tipo de dispositivos usando nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) altamente alineados como canales semiconductores y un material ferroeléctrico innovador (nitruro de aluminio-escandio). Estos dispositivos presentan características ambipolares de los portadores con corrientes del estado de encendido (ON, del inglés) altas y bien equilibradas (de ~270 μA μm−1 a un voltaje de drenador de 3 V) y razón encendido/apagado (ON/OFF, del inglés) superiores a 105, aunado con amplias ventanas de memoria y excelente capacidad de retención. Además poseen capacidad de memoria ternaria (pueden guardar -1, 0 o +1 en lugar de solo 0 y 1). Esto significa que se pueden construir circuitos más compactos y eficientes que los basados en silicio convencional.

Mayor información en: Nature Communications

Crecimiento homo epitaxial a gran escala de MoS2 en un apilamiento romboédrico

 

Los materiales bidimensionales (2D) poseen propiedades únicas que los hacen adecuados para su implementación en diferentes dispositivos tecnológicos. Manipular y modificar el apilamiento entre capas es una forma de modular sus propiedades. 

Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD por sus siglas del inglés transition metal dicalcogenides) bidimensionales son importantes candidatos para la reducción de tamaño de los transistores. Estos materiales suelen estar apilados en un ordenamiento conocido como 2H, conformado por dos monocapas con rotación de 180°. Inducir un apilamiento artificial distinto (por ejemplo, el apilamiento romboédrico conocido como 3R en el que tres monocapas están desplazadas, sin rotación) les confiere propiedades exóticas como la ferroelectricidad, superconductividad, entre otras. Sin embargo, inducir este tipo de apilamientos no es tarea fácil, debido a la alta estabilidad termodinámica de los apilamientos 2H.

Científicos de universidades chinas han logrado obtener disulfuro de molibdeno (MoS2) en apilamiento 3R a gran escala (del orden de cm). Mediante la técnica de depósito por descomposición química de vapores (CVD por sus siglas del inglés chemical vapor deposition) depositaron una monocapa de MoS2 sobre un sustrato de zafiro. Una vez depositada la primera monocapa, el proceso de nucleación de la siguiente resulta crucial para lograr el apilamiento deseado, ya que, una vez formada, no es posible rotarla. 

Este estudio propone, mediante cálculos DFT, que los defectos conocidos como antisitios (Mos) promueven el apilamiento 3R sobre el 2H. Experimentalmente se demostró la presencia de este tipo de defectos en las muestras con apilamiento 3R, mientras que no se observó en las muestras con apilamiento 2H, corroborando el mecanismo de crecimiento. Las muestras obtenidas demostraron poseen ferroelectricidad mediante la técnica de microscopia de piezofuerza (PFM del inglés piezoresponse force microscopy).

Dado que el MoS2-3R es un semiconductor con características ferroeléctricas, se propone para la fabricación de transistores de efecto de campo con compuerta de semiconductor ferroeléctrico (FeS-FETs por sus siglas del inglés ferroelectric semiconductor field effect transistors). Además, debido a la ventaja que representa obtener muestras de buena calidad y gran tamaño, se asegura la reproducibilidad de los dispositivos. 

Más información en: nature materials

Nanoalambres flexibles de selenio con bandas prohibidas sintonizables

 

Los cambios en el tamaño y la forma geométrica de las nanopartículas permiten manipular las propiedades de los semiconductores sin alterar su composición química. Sin embargo, persiste el desafío de que, según el método de síntesis, la dispersión de los tamaños de las nanopartículas varía.

El uso de moldes de nanotubos para formar nanoalambres de selenio forma parte de la estrategia más amplia de emplear plantillas nanoestructuradas para controlar el crecimiento de nanomateriales unidimensionales. Aunque el selenio, por su naturaleza anisotrópica, ya de sí cristaliza formando estructuras alargadas, las plantillas de nanotubos de carbono (CNT), óxido de aluminio anódico u otras nanoestructuras huecas, permiten un control preciso del crecimiento unidireccional del nanoalambre, su  tamaño, orientación y homogeneidad, además de proteger el material durante su formación. Estas estructuras núcleo-coraza, con núcleo de Se y coraza exterior protectora (nanotubo)  tienen aplicaciones en nanoelectrónica, fotoconductores y almacenamiento de energía.

Investigadores ingleses descubrieron distintas fases estructurales del selenio al confinarlo dentro de nanotubos de carbono y de nitruro de boro, observando una notable plasticidad estructural en nanoalambres con diámetros entre 0.4 y 3.0 nm. El experimento usó una muestra de nanotubo de nitruro de boro (BNNT) y cuatro de carbono (CNT) de diferentes diámetros, todas bajo condiciones experimentales idénticas. Se sublimó selenio para llenar los nanotubos y formar estructuras Se@CNT y Se@BNNT, con el fin de estudiar exclusivamente el efecto del diámetro del nanotubo sobre la estructura resultante del selenio.

Encontraron que el ancho de la banda prohibida de estos nanoalambres, entre 2.2 y 2.5 eV, depende del diámetro del nanotubo de forma no monotónica, debido a que las distorsiones en las cadenas de Se contrarrestan el confinamiento cuántico a escalas subnanométricas.

Los autores desarrollaron un diagrama de fases unidimensional que predice la estructura atómica del selenio según el diámetro del nanotubo, independientemente de su composición química. Esto demuestra que el confinamiento en nanotubos permite sintonizar con precisión la estructura y las propiedades electrónicas del selenio. La caracterización se realizó mediante microscopía electrónica avanzada y espectroscopía de pérdidas de energía electrónica (EELS) para determinar las bandas prohibidas.

Estos descubrimientos a nanoescala allanan el camino para el desarrollo de componentes electrónicos avanzados miniaturizados, sintonizables y flexibles, tales como transistores, sensores ópticos y sistemas fotovoltaicos.

Para mayor información, consultar: Advanced Materials

Células bipolares del ojo tratadas con nanovarillas de oro y activadas con láser infrarrojo para restaurar la visión

 La degeneración macular asociada a la edad (DMAE, por sus siglas en inglés) y la retinitis pigmentosa son causas significativas de pérdida de visión a nivel mundial, afectando cerca de 200 millones y 1.5 millones de personas respectivamente. En ambos casos existe una reducción en la sensibilidad lumínica de los fotoreceptores en la retina. Sin embargo, algunas neuronas retinales como las células bipolares y ganglionares permanecen funcionales lo cual ha resultado de interés en investigaciones para restaurar la visión.  

Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Brown en Estados Unidos apunta hacia un nuevo tipo de sistema de prótesis visual en el que se utilizan nanovarillas de oro plasmónicas en combinación con un pequeño dispositivo láser integrado en unos anteojos.

Los investigadores inyectaron nanovarillas de oro en el humor vítreo del ojo de ratones las cuales se incorporaron a la retina y a las células bipolares y ganglionares. Posteriormente se utilizó un láser de barrido con longitudes de onda de la región infrarroja cercana al espectro visible y un tamaño de haz de 20 micras para enfocar luz infrarroja sobre las nanopartículas y generar una pequeña cantidad de calor que activó a las células bipolares y ganglionares. Este patrón de activación imitó las señales visuales naturales que procesa el cerebro a través de los pulsos de los fotorreceptores.

La estimulación láser causó un aumento en la actividad de la corteza visual de los ratones que indica que señales visuales, antes ausentes, estaban siendo transmitidas y procesadas por el cerebro. El estudio no encontró signos de toxicidad ni inflamación a lo largo de varios meses de seguimiento.

Este hallazgo sugiere la posible aplicación de una tecnología similar en humanos. El uso de luz en la región del infrarrojo cercano, en lugar de luz visible, para activar las células bipolares, no es invasivo ni interfiere con la visión residual que el organismo aún conserve. Son necesarias más pruebas antes de su uso clínico; sin embargo, estos hallazgos ya apuntan a una opción menos invasiva para la restauración de la visión.

Para mayores detalles consultar:

ACS Nano

Los grupos funcionales regulan la concentración de iones y el pH en nanoporos

Para comprender las reacciones químicas que ocurren dentro de los nanoporos de materiales nanoporosos, ya sean sintéticos o naturales, como los presentes en membranas o canales iónicos de sistemas biológicos, es fundamental conocer la concentración de iones en su interior. Para ello, los nanoporos se funcionalizan con grupos químicos específicos.

En este estudio, un grupo de investigadores de Estados Unidos reporta el desarrollo de un nanosensor plasmónico del tipo núcleo-coraza, compuesto por una nanobarra de oro recubierta con sílica mesoporosa funcionalizada con grupos fenilo y metilo. Este nanosensor es capaz de medir la concentración local de protones, aniones (como fosfatos, nitratos, sulfatos y arsenatos), así como cationes (como mercurio, plomo y cobre) en nanoporos funcionalizados. Las mediciones se realizaron mediante espectroscopía Raman amplificada por superficie (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS), aplicada in situ.

Los valores obtenidos se comparan con los correspondientes a la sílica en volumen. Además, los resultados indican que estas concentraciones de iones son diferentes en nanoporos prístinos e hidrofóbicos en comparación con nanoporos funcionalizados con radicales fenilo y metilo. En éstos, reportan un aumento en la concentración de aniones y una disminución en la concentración de cationes de manera concurrente. Por otra parte, el pH en los nanoporos resulta dependiente de la composición de la solución. Encontraron que, en algunos casos, el pH en los nanoporos podía disminuir hasta en 2.5 unidades con respecto a su valor en el volumen. 

Estos resultados proveen información acerca de la interacción química ión-nanoporo, es decir, y permiten controlar contaminantes de manera precisa y selectiva con aplicación directa en la química del agua para procesos de desalinización basados en membranas, para almacenamiento de CO2 y para la catálisis en materiales porosos.

Más información en: ACS Applied Materials and Interfaces