Crecimiento de macroestructuras 3D de grafeno covalentemente estables que heredan el comportamiento eléctrico de las escalas micro.

 

La nanotecnología enfrenta el desafío de ensamblar nanomateriales para convertirlos en materiales macroscópicos de 3D. Para lograr esto, se requieren interconexiones efectivas y estables entre las unidades nanoestructuradas del ensamble. El grafeno es un nanomaterial muy interesante debido a sus extraordinarias propiedades y aplicaciones que incluyen: almacenamiento de energía, catálisis, electrónica y sensores. Por lo tanto, un objetivo importante de la nanotecnología es desarrollar métodos para construir grafeno 3D, covalentemente estable e interconectado que herede sus extraordinarias propiedades.

 

Un grupo de investigadores de China reportó un novedoso protocolo para el crecimiento covalente, capa por capa,  de una macroestructura 3D de grafeno puro (all-graphene macrostructure, AGM, por sus siglas en inglés). Lo lograron uniendo covalentemente polietersulfona (PES) bajo la irradiación de un láser de CO₂, obteniendo microestructuras 3D de grafeno poroso sin necesidad de introducir catalizadores, templetes o aditivos. El grafeno así obtenido presenta cristalinidad de muy alta calidad. La técnica para producir grafeno inducido por láser, conocida como LIG (laser-induced graphene, LIG, por sus siglas en inglés) se ha aplicado en dispositivos para almacenamiento de energía, micro y nanoelectrónica, entre otros. Esta estrategia sugiere nuevas posibilidades para la construcción de macroestructuras que conserven las propiedades intrínsecas del grafeno en aplicaciones de alto rendimiento.

 

Para mayores detalles, consultar: Advanced Functional Materials

Integración de materiales híbridos ultradelgados de alta constante dieléctrica sobre semiconductores bidimensionales

 

La reducción continua del tamaño de puerta de los transistores de efectos de campo (FETs) de tipo metal-óxido-semiconductor (MOS) basados en el Si se acerca a su límite fundamental. Uno de los retos es reducir el espesor del canal semiconductor para mitigar el efecto de disminuir el largo del canal. Una solución tecnológica para la próxima generación de FETs la brindan los semiconductores bidimensionales (2D) de van der Waals (vdW), como los dicalcogenuros de metales de transición (MoS₂, WSe₂, etc.) y el fósforo negro, los cuales pueden ser crecidos en capas con espesor atómico permitiendo un control de puerta sin precedentes en una arquitectura MOSFET.

Sin embargo, sigue siendo difícil integrar dieléctricos ultra-delgados y uniformes de alto valor de la constante dieléctrica κ en semiconductores 2D para fabricar FETs con mayor capacitancia de puerta.

Con este trabajo, un grupo de investigadores de China reportan una metodología versátil de dos pasos para integrar una película dieléctrica de alta calidad con un espesor de óxido equivalente (EOT, del inglés equivalent oxide thickness) menores a 1 nm sobre semiconductores 2D. Primero, empleando la evaporación térmica, depositaron una capa molecular inorgánica de Sb₂O₃ homogéneamente sobre MoS₂ la cual funciona como capa amortiguadora o mediadora. La capa molecular de Sb₂O₃ forma una interfaz óxido-semiconductor tipo vdW de alta calidad que elimina el carácter hidrofóbico del semiconductor 2D y a la vez, ofrece una superficie altamente hidrófila. Segundo, empleando la técnica de depósito por capas atómicas (ALD), logran crecer películas ultra-delgadas de alta-κ de HfO₂ sobre la capa de Sb₂O₃. 

Usando esta metodología, los investigadores fabricaron FET constituidos por una capa híbrida inorgánica dieléctrica de Sb₂O₃/HfO₂ con un mínimo EOT (0.67 nm) crecida sobre monocapas de MoS₂. Los transistores exhiben una relación de encendido/apagado de más de 106 utilizando un voltaje operativo ultra bajo de 0.4 V, logrando una eficiencia de activación sin precedentes. Sus resultados contribuyen al camino para integrar materiales 2D, dieléctricos y semiconductores, en la fabricación de los próximos dispositivos electrónicos ultra-pequeños de baja potencia.

 

El trabajo fue publicado en Nature Materials.

Control coherente de huecos en orbitales de un punto cuántico semiconductor

 

Las tecnologías necesarias para desarrollar fotónica cuántica demandan fuentes de luz y compuertas lógicas cuánticas. Para esto es necesario contar con pulsos entonables a frecuencias de teraherz y así poder manipular estados electrónicos externos de orbitales para lograr la manipulación coherente de portadores de carga en puntos cuánticos

 

Investigadores de China, Alemania y Reino Unido  crearon un bit cuántico en una nanoestructura semiconductora consistente en una gota epitaxial de GaAs. Usando una transición de energía especial, crearon un estado de superposición en un punto cuántico, un área diminuta del semiconductor, en el que un estado correspondiente a un hueco de un electrón poseé simultáneamente dos niveles de energía diferentes. Tales estados superpuestos son fundamentales para la computación cuántica.

 

En 2021, un equipo de investigación logró por primera vez estimular la transición Auger radiativa en un semiconductor, en la que un electrón se recombina con un hueco, liberando su energía en forma de un solo fotón y  otra parte se transfiere  a otro electrón. El mismo proceso se puede observar entre huecos. En este trabajo se demuestra que, por medio de el proceso Auger radiativo, es posible el control ultrarápido y coherente de huecos en orbitales externos de un punto cuántico 

 

 

 

Este trabajo abre nuevas posibilidades para comprender las propiedades fundamentales de los estados orbitales externos como emisores cuánticos de luz y asi desarrollar nuevos tipos de dispositivos fotónicos cuánticos basados en dichos orbitales.

            

Mas información en Nature Nanotechnology