Transistores de efecto de campo de alto rendimiento con ferroeléctricos y canales ultradelgados para la electrónica flexible y transparente

 

El desarrollo de la electrónica flexible y transparente de alto rendimiento demanda transistores flexibles constituidos por capas ultradelgadas. El descubrimiento de materiales ferroeléctricos (FE) basados en hafnio (Hf) promovió el desarrollo de transistores de efecto de campo con ferroeléctricos (FeFET) de ultrabajo consumo de energía, alta velocidad de borrado y muy escalables, con alto potencial de aplicación en el campo de las memorias no-volátiles. La conducción en estos FeFETs se controla mediante la conmutación de polarización de la barrera ferroeléctrica en la compuerta, logrando así operaciones rápidas de lectura/escritura del dispositivo.

Sin embargo, el desarrollo de memorias ferroeléctricas que simultáneamente muestren una buena flexibilidad y un rendimiento significativo ha resultado ser un desafío, en particular, debido a las altas temperaturas necesarias para sintetizar los materiales FE.

Un equipo de investigadores de diferentes instituciones de China desarrolló un dispositivo FeFET de alto rendimiento con regímenes térmicos a temperaturas menores de 400 °C mediante la integración de capas HfO2 dopado con Zr (HZO) y óxido de indio-estaño ultradelgado (ITO) con espesores nanométricos. El FeFET propuesto tiene una ventana de memoria de 2.78 V, una alta relación de las corrientes de encendido y apagado (ION/IOFF) de más de 108 y una alta duración de hasta 2×107 ciclos. Además, los FeFETs sometidos a diferentes condiciones de flexión exhiben excelentes propiedades neuromórficas así como confiabilidad de flexión durante 5 × 105 ciclos de pulso con un radio de curvatura de 5 mm. 

La integración eficiente de materiales ferroeléctricos a base de Hf con prometedores materiales de canales ultradelgados como ITO, ofrece oportunidades únicas para posibilitar la fabricación de dispositivos FeFETs portátiles de alto rendimiento y compatibles con la tecnología actual de manufactura de circuitos integrados de semiconductores.

Nature Communications: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46878-5

Altermagnetos: un nuevo tipo de materiales magnéticos

 

Los dispositivos espintrónicos, a diferencia de los electrónicos, no solo hacen uso de la carga del electrón para su funcionamiento, sino que también consideran una propiedad cuántica llamada espín. Gracias a esto, se pueden desarrollar dispositivos más rápidos, eficientes y con menor gasto energético que los dispositivos electrónicos convencionales.

Los materiales con propiedades magnéticas son los principales constituyentes de los dispositivos espintrónicos y suelen clasificarse en dos grandes grupos: ferromagnéticos (FM) y antiferromagnéticos (AFM). En un FM, todos los momentos magnéticos de los átomos se encuentran alineados en la misma dirección, dando como resultado una magnetización total. Por otro lado, los AFM están conformados por dos subredes de momentos magnéticos antiparalelos, resultando en una magnetización total de cero. Ambas subredes se encuentran relacionadas por una operación de traslación o inversión.

Recientemente, un grupo multidisciplinario y multinacional descubrió un nuevo tipo de ordenamiento magnético, empleando una teoría de clasificación de simetrías de momentos magnéticos: los altermagnetos (AM). Este tipo de materiales está constituido por dos subredes de espines antiparalelos; sin embargo, ambas subredes no se relacionan por una inversión o traslación, pero sí por una rotación. Este cambio en la simetría de la red le confiere a los AM características tanto de los FM como de los AFM, así como nuevas propiedades.

Mediante la técnica de espectroscopia de fotoemisión con resolución angular (ARPES) y modelado computacional basado en la teoría del funcional de la densidad (DFT), este grupo de investigación logró demostrar la existencia del altermagnetismo en el compuesto MnTe (telururo de manganeso), el cual fue sintetizado en forma de película delgada mediante la técnica MBE (por sus siglas del inglés molecular beam epitaxy) sobre sustratos de  fosfuro de indio con orientación (111) y terminación en In. Este descubrimiento tiene importantes aplicaciones en la nueva generación de tecnologías de memorias magnéticas y, sin duda, revolucionará los libros de magnetismo, pues ahora se debe considerar una tercera fase magnética que ha sido ignorada durante siglos. 

Más información en: Nature

Aplicación de nanopolvos catalizadores obtenidos de residuos agrícolas para la electrólisis del agua

 

El desarrollo de soluciones sostenibles para el aprovechamiento de la biomasa vegetal del sector agroindustrial requiere una atención especial debido a la gran cantidad de residuos que se acumulan. En todo el mundo se producen al año casi 150 millones de toneladas de cáscara de arroz y 5,5 millones de toneladas de cáscara de avena. Alrededor del 30% de la masa total de este tipo de residuos  se deposita en vertederos.  La eliminación inadecuada provoca la putrefacción de la biomasa y la liberación de gases de efecto invernadero, lo que se suma al efecto indeseable. Alrededor del 24% de las emisiones mundiales proceden del sector agrícola.

 Las nanoestructuras de carburo de silicio han llamado la atención por su excelente rendimiento y la posibilidad de utilizarlas en aplicaciones catalíticas, como electrocatalizadores para la producción de hidrógeno.  En este trabajo, investigadores de Rusia y China desarrollaron un método para convertir residuos agrícolas en nanopolvos de carburo de silicio. Las cáscaras de las plantas de cereales tienen un alto contenido en carbono y dióxido de silicio, que tras un tratamiento térmico proporcionan un material de partida casi ideal para su posterior síntesis mediante plasma de descarga de arco. Se eligieron como materias primas cáscaras de arroz y avena. Como resultado, se sintetizó carburo de silicio hexagonal α-SiC nanodisperso (tamaño de partícula <50 nm).

Demostraron que la adición de platino en una cantidad no superior al cinco por ciento en masa, en la reacción de liberación de hidrógeno durante la descomposición del agua, proporciona un rendimiento electrocatalítico comparable al de una muestra comercial de platino, y una gran estabilidad incluso después de 1500 ciclos de funcionamiento. El método desarrollado permite convertir residuos agrícolas en productos útiles de alta tecnología en forma de nanomateriales electrocatalíticamente activos. 

Más información en: Journal of Cleaner Production

Nanomotor pulsante formado por origami de ADN

 

El interés en fabricar nanomotores que realicen trabajo mecánico ha sido impulsado mediante  técnicas basadas en la biología molecular. Para la construcción a nivel nanométrico de triángulos, estrellas o formas más complejas, se aplica el origami de ADN que aprovecha la capacidad de auto-ensamblaje de este material para crear arquitecturas predeterminadas, utilizando hebras sencillas de ADN que se moldean con fragmentos complementarios conocidos como grapas.  

Investigadores de la Universidad de Bonn desarrollaron un nanomotor que consiste en dos brazos de 60 nm de longitud compuestos por hebras sencillas de ADN unidos mediante una bisagra. El extremo opuesto de cada brazo, está unido por un puente formado por una doble hebra de ADN. Una molécula de ARN polimerasa se encuentra anclada sobre uno de los extremos del puente de ADN. Cuando este sistema se alimenta con nucleósidos trifosfato (NTPs), la ARN polimerasa transita a lo largo de la cadena de ADN, acercando los brazos del nanomotor y sintetizando una molécula de ARN que se expulsa al medio. Un par donador-aceptor monitorea el cierre y la apertura de la bisagra mediante pulsos de fluorescencia. Este nanomotor pulsante se mantiene relajado a menos que sea alimentado con NTPs, generando la síntesis repetitiva de ARN al cerrarse la bisagra y emitiendo la consiguiente secuencia de pulsos fluorescentes.

La capacidad de este nanomotor para realizar trabajo mecánico a nivel nanométrico abre nuevas puertas en el diseño de nanomáquinas, con posibles aplicaciones en la creación de dispositivos a escala molecular y en la manipulación de materiales a nivel atómico.

Más información en:

Nature nanotechnology

Armazones tridimensionales en la nanoescala de óxidos metálicos y semiconductores por medio de arreglos programables y templetes de ADN

 

La habilitación de propiedades novedosas, mecánicas, ópticas, y electrónicas que presentan las nanoestructuras de materiales inorgánicos depende del control de su nanoarquitectura en 3D. En una amplia gama de aplicaciones recientes de metamateriales con propiedades mecánicas, para computación neuromórfica y generación de energía, se requieren armazones en 3D con materiales de composición compleja y arquitecturas en la nanoescala. Para este propósito además de los procesos de manufactura aditiva, los métodos litográficos de  múltiples pasos y diversos métodos para los depósitos, proveen control estructural y resolución entre 30 y 100nm.

Investigadores de E.U.A. aprovecharon los arreglos programables de ADN y los aplicaron al diseño de nanoestructuras ordenadas en 3D de materiales inorgánicos, por medio de infiltración de fase líquida y fase vapor en metales, óxidos metálicos, semiconductores y sus combinaciones. Obtuvieron nanoestructuras de zinc, aluminio, cobre molibdeno, tungsteno, indio, estaño, platino y compositos como el óxido de zinc dopado con aluminio, el óxido de estaño con indio y el óxido de zinc dopado con platino/aluminio. Las nanoestructuras-3D presentan características en la escala nanométrica ordenadas por la estructura del ADN y la red autoensamblada. 

Los estudios estructurales y espectroscópicos de los materiales seleccionados revelan la composición y estructura de las nanoestructuras inorgánicas así como de sus propiedades optoelectrónicas. 

Esta estrategia para la nanofabricación puede ser vital para una amplia gama de aplicaciones que requieran nanoestructuras en 3D con arquitecturas y composiciones complejas. El objetivo  de este trabajo es  establecer una metodología para hacer litografía-3D molecularmente programable en la nanoescala.

Mayor información en: SCIENCE ADVANCES 

Efecto piezoeléctrico auxético en heteroestructuras

 

Las estructuras o materiales auxéticos (del griego auxein, expandirse) tienen un coeficiente de Poisson negativo; es decir, se expanden en la dirección transversal cuando se estiran longitudinalmente o adelgazan cuando se comprimen. Por su parte, los materiales piezoeléctricos son aquellos materiales funcionales que, cuando se deforman elásticamente, pueden cambiar sus dimensiones en respuesta a un campo eléctrico E o cambiar su estado de polarización eléctrica P cuando se deforman elásticamente.

La ruptura de simetría que ocurre en la interfase de una heteroestrucura es fundamental para una multitud de efectos físicos. Recientemente se ha demostrado que la asimetría de la interfase puede inducir efectos piezoeléctricos en las heteroestructuras, incluso en aquellas formadas por semiconductores centrosimétricos. 

Un grupo de investigadores de Reino Unido y China, empleando la ingeniería de la simetría de la interfase, logró fenómenos piezoeléctricos que se comportan como un análogo eléctrico del índice de Poisson negativo. Este efecto, se denomina efecto piezoeléctrico auxético. Bajo la acción de un estímulo eléctrico externo, los coeficientes piezoeléctricos longitudinal (d33) y transversal (d31, d32) exhiben el mismo signo, lo que permite una contracción o expansión simultánea en todas las direcciones. Para el estudio fabricaron superredes de SrTiO3/Ba0.6Sr0.4TiO3/BaTiO3 orientadas (001) y (111), cuyas capas son de alrededor de 3 nm y tienen un espesor total de 100 nm. Encontraron que, controlando la anisotropía en el plano, los signos de los coeficientes transversales se pueden ajustar aún más.

Estos resultados permitirán explorar el efecto piezoeléctrico en una amplia gama de materiales semiconductores y configuraciones de heteroestructuras con enfoques innovadores para diseñar y optimizar dispositivos electromecánicos (filtros, sensores y actuadores) compatibles con la tecnología complementaria de semiconductores de óxidos metálicos.

Publicado en Nature Materials

Elaborada el 17 de enero de 2024

Ensamble en 3-D de una red de MXenos utilizando una cerámica porosa como andamio

 

Los carburos de metales de transición (MXenos) son novedosos nanomateriales-2D con propiedades excepcionales y aplicaciones en el almacenamiento de energía, la catálisis y para la conversión de energía. Sin embargo, son difíciles de ensamblar en estructuras-3D y eso ha limitado sus aplicaciones.

Investigadores de EUA resolvieron el problema mediante un sistema híbrido de materiales consistente en una red de MXenos producidos sobre un andamio de cerámica (sílica) porosa (MX-PS).

Este nuevo material de sílica moldeada en frío y de porosidad controlada, facilita el ensamble de los planos de Mxenos. Los MXenos se infiltran y dispersan en los poros y al enfriarse se depositan en las superficies internas formando una red interconectada.  Por otra parte, la cerámica porosa le proporciona resistencia mecánica, permeabilidad a líquidos y gases, entre otras propiedades. 

Con este material se construyen supercapacitores tipo “sándwich” con electrodos de Ti3C2Tx (MX-PS) que presentan una excelente capacitancia de (7.24 F cm-2 ) y densidad de energía (0.32 mWh cm-2) con solo 6% de masa adicional. 

El novedoso enfoque para crear arquitecturas 3-D a partir de materiales 2-D seguramente tendrá un impacto significativo en muchas aplicaciones en la ingeniería de materiales.

Para más detalles ver:  Advanced Materials

Elaborada el 21 de noviembre 2023

Desarrollo de un resonador de carburo de silicio amorfo para nanomecánica

 

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft, fabricaron resonadores basados en películas delgadas del carburo de silicio amorfo (a-SiC), con espesores de entre 70 y 130 nm, que exhiben una resistencia máxima a la  tensión  mayor a 10 GPa, alcanzando el régimen reservado para materiales cristalinos resistentes y acercándose a niveles demostrados experimentalmente en nanocintas de grafeno. Las películas de a-SiC se depositaron sobre obleas de Si y se moldearon en forma de membranas, cantilevers e hilos.

La frecuencia de resonancia se caracterizó por efecto Doppler. 

Este robusto material, en forma de película delgada, tiene un potencial significativo para aplicaciones en sensores nanomecánicos, celdas solares, aplicaciones biológicas, exploración espacial y otras áreas que requieren resistencia y estabilidad en entornos dinámicos.

Los hallazgos de este estudio abren nuevas posibilidades para aplicaciones de alto rendimientode películas delgadas de materiales amorfos. 

El estudio se publicó en la revista Advanced Materials

Elaborada el 17 de noviembre de 2023

Estructura electrónica y actividad catalítica de nanopartículas tipo núcleo-coraza Pd@Pt dopadas con cobalto

 

El platino es un catalizador que juega un papel esencial en las celdas de combustible con membranas poliméricas como electrolito; sin embargo, su aplicación comercial es muy limitada dada su escasez, alta demanda y precio. Recientemente se demostró que con nanopartículas octaédricas tipo núcleo coraza Pd@Pt en las que se puede variar la cantidad de Pt, es posible lograr un aumento en su actividad y durabilidad en comparación con los catalizadores comerciales de Pt/C. Este nuevo nanomaterial incrementa la reacción de reducción de oxígeno (RRO) en el proceso de formación de agua en la celda de combustible, lo que produce mayor corriente y la generación más eficiente de potencia.

En este trabajo, un grupo de investigadores de Canadá reportó que, al dopar la superficie de estas nanopartículas con Co, aumenta aún más su actividad y durabilidad. Estos catalizadores fueron caracterizados por medio de la estructura fina en el umbral de absorción de rayos-X (producidos en un sincrotrón) de la capa L3 del Pt y el umbral de absorción de la capa K del Co. Además, realizaron pruebas del rendimiento catalítico para determinar el efecto del dopante y la actividad del catalizador. Correlacionaron los resultados acerca de la estructura electrónica local del catalizador con los de actividad electrocatalítica para optimizar su rendimiento. 

En conclusión, resultó que el Co aumenta simultáneamente la actividad catalítica, la durabilidad a largo plazo y reduce el contenido de Pt en el catalizador. De esta manera se da un paso más en la búsqueda de soluciones para producir energía sustentable. 

Más detalles en: 

ACS Journal of Physical Chemistry C

Elaborada el 16 de octubre de 2023

Ajuste dinámico de la fricción en la interfase de grafeno mediante el efecto de campo

 

La fricción afecta el desgaste de los materiales y el flujo de fluidos a través de las superficies, entre otros efectos. Sin embargo, se puede controlar pasivamente mediante la selección de componentes de diseño, por ejemplo, material y rugosidad.

Una tendencia más reciente ha sido investigar sistemas cuya respuesta a la fricción pueda ajustarse dinámicamente in situ. Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, dirigidos por la profesora Espinosa-Marzal, estudiaron cómo ajustar dinámicamente la fricción entre una superficie de grafeno y la punta del AFM en una configuración de un transistor de efecto de campo (FET por sus siglas del inglés field effect transistor) en una atmósfera de nitrógeno, mientras el nivel de dopaje del grafeno se modula in situ cambiando el potencial que se aplica a la compuerta inferior. En contraste con contactos aislantes o conductores, el contacto de grafeno con puntas semiconductoras exhibe una fricción ajustable y sensible a la densidad de carga en el grafeno.

Desde el punto de vista de su aplicación, estos resultados ofrecen la oportunidad de sintonizar la fricción en dispositivos FET basados en materiales semiconductores 2D para obtener estados on/off con portadores de carga de una sola polaridad.

El trabajo se detalla en el artículo "Dynamically tuning friction at the graphene interface using the field effect ", publicado el 19 de septiembre de 2023 en la revista Nature Communications.

Elaborada el 3 de octubre 2023

Tatuaje de células individuales: transferencia de nanopatrones de oro a células vivas

Las técnicas de impresión de nanopatrones como la fotolitografía, la litografía por haz de electrones y la nanolitografía han revolucionado la electrónica y la óptica modernas. Sin embargo, su aplicación en la creación de nano-bio-interfaces tiene límites por la citotoxicidad de los procesos y la naturaleza bidimensional de los métodos de fabricación tradicionales.

Un grupo de investigadores de Estados Unidos de Norteamérica desarrolló un método de “tatuaje” de células vivas mediante la transferencia de nanocables y nanopuntos de oro impregnados en matrices flexibles.

El método de tatuaje consta de tres pasos. En primer lugar, por nanolitografía se imprime un patrón de cables o de puntos de oro a nanoescala sobre una oblea de silicio recubierta con un polímero. A continuación, se disuelve el polímero para liberar los nanoagregados de oro y transferir el patrón a un cubreobjetos de vidrio. En el segundo paso, el oro se funcionaliza con cisteamina y se recubre con una capa de hidrogel que, al despegarse, separa el conjunto de nanopartículas del vidrio. La cara con el patrón de oro se recubre con una gelatina. La matriz flexible que resulta se deposita sobre fibroblastos individuales vivos a los que se adhiere, lo que constituye el tatuaje. En el último paso, se disuelve el hidrogel, dejando al descubierto el patrón de oro sobre la superficie de las células. El estudio demostró que estas células tatuadas son viables y que se puede guiar su orientación y migración celular. Más aun, los investigadores utilizaron un método similar para aplicar nanoagregados de oro a células de cerebro de rata.

Los autores esperan que este método pueda utilizarse para integrar dispositivos inteligentes a tejidos vivos con aplicaciones biomédicas como la sustitución o mejora de partes del cuerpo por versiones mecánicas, la biodetección y las interfaces de tejidos biohíbridos.

Más información en:

Nano Lett. 2023

Fecha de elaboración: 12/sept/2023

Nanopartículas de oro con especies catiónicas estables y altamente activas en la oxidación de CO soportadas en mordenita

 

El rápido desarrollo industrial y la creciente demanda del uso de automóviles para el transporte han llevado a un aumento en el uso de combustibles fósiles, provocando así un aumento drástico de la contaminación atmosférica. Entre todos los contaminantes atmosféricos, el monóxido de carbono (CO) es un gas altamente tóxico que causa graves consecuencias para la salud humana y daños irreversibles al medio ambiente. Una de las estrategias propuestas para disminuir las emisiones de CO, es la oxidación de CO mediante convertidores catalíticos.

La oxidación de CO catalizada por oro se ha convertido en uno de los avances más importantes en el campo de la catálisis, debido al extraordinario rendimiento catalítico de las especies catiónicas de oro. Sin embargo, la desactivación de tales catalizadores está asociada principalmente con la sinterización de nanopartículas de Au (AuNP) y la reducción concomitante de las especies catiónicas de Au.

Un grupo de investigadores del CNyN-UNAM reportó la alta estabilidad catalítica de especies catiónicas de Au en la oxidación de CO en nanocompositos de AuNPs soportadas en matrices zeolíticas tipo mordenita sintetizados mediante un método de un solo recipiente (one pot). Demostraron que la muestra con la carga más baja de Au (0.32 % en peso) exhibió el mayor rendimiento catalítico y estabilidad durante la oxidación de CO. La oxidación de CO se analizó mediante FTIR in situ e ilustra que en la muestra sintetizada con bajo contenido de Au (0.32% en peso) la oxidación se produjo preferentemente a través de la interacción de CO con la interfase catiónica Au-hidroxilo (Au1+ –OH-) para producir CO2(g) mediante descarboxilación. Por su parte, la muestra con un alto contenido de Au (1.56% en peso) mostró una menor capacidad de oxidación de CO, lo que se asoció con un bajo contenido y una menor estabilidad de las especies catiónicas de oro. 

El método de síntesis de un solo recipiente permite obtener nanocompositos basados en nanopartículas de oro bien arraigadas a matrices zeolíticas y constituidas por especies de oro catiónico muy estables y altamente eficientes en la oxidación de CO.

Publicado en Applied Catalysis B: Environmental

Elaborada el 10 de octubre de 2023

Nanoenzimas basadas en compuestos orgánicos para la detección de herbicidas

 

Las nanoenzimas son materiales sintéticos nanométricos que imitan las propiedades de las enzimas biológicas. Hasta ahora, su aplicación más frecuente ha sido como biosensores  al integrar nanoenzimas en plataformas electroquímicas o colorimétricas para la detección de moléculas diana. Recientemente, se ha incrementado el interés por utilizar estas moléculas en distintas disciplinas como la biomedicina, la ingeniería química, la agricultura y la ciencia de alimentos.

A pesar de ser eficientes para su uso en la agricultura, los materiales utilizados para sintetizar las nanoenzimas se han considerado tóxicos y caros. 

Un grupo de Investigadores de Estados Unidos, recientemente desarrolló una nanoenzima basada en compuestos orgánicos no tóxicos, amigables con el ambiente y económicos. La nanoenzima es capaz de detectar la presencia de herbicidas agrícolas, particularmente el glifosato. 

La nanoenzima, con actividad tipo-peroxidasa,  se sintetizó a base de compuestos orgánicos como la urea y el alcohol polivinílico (PVA, por sus siglas del inglés polyvinyl alcohol) mediante un proceso de partículas autoensambladas en un solo recipiente (one pot). Los autores integraron un sistema de censado óptico para facilitar la detección de las moléculas de glifosfato  que oxidan el sustrato de coloración ABTS (2,2-azino-bis-3-etil-benzo-tiasolina-6-ácido sulfónico).

Estas nanoenzimas tienen un diámetro aproximado de 160 nm, son capaces de detectar glifosato desde 1 pg/mL y presentaron propiedades cinéticas aceptables en un amplio rango de pH (de 2 a 8.5). Con estos resultados se podría trabajar en el desarrollo de dispositivos portátiles de detección que  permitan interpretar la intensidad de colores en una fotografía  para determinar la presencia de moléculas de interés. 

Para mayores detalles, consultar:

Nanoscale

Elaborada el 24 de octubre de 2023