Contactos universales metal-semiconductor de van der Waals escalable a las obleas

 

Los semiconductores bidimensionales (2D) han atraído interés para ser utilizados en canales ultrafinos de transistores. Sin embargo, las técnicas de metalización convencionales en microelectrónica (como evaporación térmica por haz de electrones, pulverización catódica y depósito por descomposición química de vapores) son procesos de "alta energía" basados en la vaporización del precursor de metales, que provocan el incremento del efecto de anclaje del nivel de Fermi en la interfaz metálica-2D con una altura de barrera de Schottky incontrolable y una gran resistencia de contacto.

 

Los contactos metálicos de van der Waals (vdW), en honor al físico de Países Bajos Johannes Diderik van der Waals, se presentan como un enfoque prometedor para reducir la resistencia de contacto y minimizar el anclaje del nivel de Fermi en la interfaz de semiconductores bidimensionales (2D). Sin embargo, solo un número limitado de metales se puede   exfoliar mecánicamente para fabricar contactos vdW y el proceso de transferencia manual requerido no es escalable en la fabricación de dispositivos. 

 

Investigadores de China recientemente reportaron una metodología universal para la integración de metales vdW escalable a las obleas de Si, que puede aplicarse a un amplio rango de metales y semiconductores. Para lograr la unión metal-semiconductor mediante enlaces vdW, emplearon capas de un polímero fácil de descomponer térmicamente que permite depositar diferentes metales sin dañar los canales del semiconductor 2D subyacente. Posteriormente, la capa amortiguadora polimérica se eliminó en seco a través de un recocido térmico.

 

Con esta técnica, es posible integrar metales como Ag, Al, Ti, Cr, Ni, Cu, Co, Au, Pd como contacto en transistores 2D. Esta nueva estrategia de integración vdW puede extenderse a semiconductores 3D con una minimización del efecto indeseado del anclaje del nivel de Fermi.

 

Artículo publicado en Nature Communications

Primeros estudios a escala atómica de la superficie de la mica

 

La mica es un mineral común, (KAl₂(Si₃Al)O₁₀(OH) ₂, que se encuentra en el granito y ha sido ampliamente estudiado química y geológicamente. 

 

Se sabe que la mica es un material laminado que posee iones K⁺ que decoran la superficie al exfoliarse, pero la estructura de la superficie limpia, es decir, cuando no interactúa con el medio ambiente, no se conoce. Un equipo de la Universidad Tecnológica de Viena recientemente presentó un estudio de la mica a nivel atómico, usando técnicas de Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) en Ultra Alto Vacío, que explica la distribución de los iones de potasio (K⁺) en la superficie de la mica.

 

Los resultados presentan imágenes claras de la distribución de K⁺ de la mica a 4.7K de temperatura y en condiciones de ultra alto vacío (UHV). Los datos revelan la presencia de un ordenamiento de corto alcance, contrario a previas suposiciones de distribuciones aleatorias o completamente desordenadas. Los cálculos basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT) y las simulaciones de Monte Carlo muestran que los iones Al³⁺ juegan un papel importante en la disposición de los iones K⁺ de la superficie.

 

Los resultados de este trabajo tienen posible aplicación al fabricar circuitos electrónicos de materiales 2D, como el grafeno, ya que para ello se requieren aislantes adecuados. La mica resulta ser un candidato muy apropiado.

 

Los resultados fueron publicados en Nature Communications

Mas información en Nanotechnology News

Estimulación de zonas profundas del cerebro mediante nanopartículas piezoeléctricas

 

Algunos problemas neuronales se pueden tratar mediante la estimulación eléctrica con electrodos implantados en zonas profundas del cerebro, pero esta técnica tiene el inconveniente de los efectos secundarios resultantes de la inserción de electrodos.

 

Un equipo de investigadores de la República de Corea y de Estados Unidos reportó que la administración sistémica de nanopartículas piezoeléctricas que producen óxido nítrico (NO) genera corriente directa bajo la acción de un campo ultrasónico de alta intensidad enfocado en una zona específica.

 

El efecto de las nanopartículas piezoeléctricas de generar corriente directa al deformarse por la acción de ultrasonido es conocido; el reto fue cómo introducir las nanopartículas a través de la barrera hematoencefálica in vivo. Los autores utilizaron el potencial que tiene el NO, como radical libre con alta reactividad, para abrir la barrera hematoencefálica. El NO se liberó de un  sistema multifuncional N,N’-diN,N’-dinitroso-1,4 fenilenediamina (BNN6)  y las nanopartículas piezoeléctricas utilizadas fueron de titanato de bario recubiertas con polidopamina (pDA). Bajo la acción de ultrasonido, estas nanopartículas efectivamente liberaron NO y produjeron una corriente directa que, a su vez, propició mecanismos de producción del neurotransmisor dopamina. Así, los autores lograron estimular exitosamente el tejido profundo del cerebro de un ratón y aminorar sus manifestaciones de la enfermedad de Parkinson.

 

En este trabajo se verificó el papel crucial de la apertura temporal de la barrera hematoencefálica mediada por NO y se demostró, en un modelo animal, que las partículas piezoeléctricas pueden reducir los síntomas de la enfermedad de Parkinson sin causar toxicidad evidente. Esta estrategia podría inspirar el desarrollo de otras terapias mínimamente invasivas para enfermedades neurodegenerativas.

Más detalles en: Nature Biomedical Engineering

Estados de polarización múltiple inducidos por deslizamiento de capas en ferroeléctricos bidimensionales

 

La familia de materiales ferroeléctricos, cuyas polarizaciones espontáneas pueden conmutarse mediante campos eléctricos, ha crecido significativamente e incluye óxidos con estructura de perovskita, perovskitas híbridas, compuestos orgánicos, entre muchos otros. Los ferroeléctricos han mostrado un tremendo potencial industrial en aplicaciones tales como memoria no volátil, actuadores, transistores de efecto de campo de capacitancia negativa y en dispositivos fotovoltaicos como celdas solares. Muy en particular, los ferroeléctricos 2D han atraído considerable atención en la comunidad científica y tecnológica en los últimos años.

 

Cuando capas atómicas, conformando una estructura de van der Waals no centrosimétrica, se deslizan entre sí, la transferencia de carga entre las capas en la interfaz da como resultado una inversión (conmutación) de la polarización espontánea de la estructura. Este fenómeno se conoce como ferroelectricidad por deslizamiento y es marcadamente diferente a los mecanismos de conmutación en ferroeléctricos convencionales basados en el desplazamiento de iones.

 

Investigadores de China y Singapur reportaron un nuevo formato para controlar la ferroelectricidad por deslizamiento mediante la dependencia de capas. Los autores fabricaron transistores de efecto de campo de doble puerta conteniendo, como elemento dieléctrico-ferroeléctrico, empaquetamientos de varios espesores de capas de MoS₂ en un arreglo romboédrico (3 R MoS₂). En tales dispositivos, obtuvieron estados anómalos de la polarización intermedia en las multicapas 3 R MoS₂ (diferente a las bicapas hexagonales 2 H). Mediante cálculos ab initio utilizando la teoría de funcional de la densidad, proponen un modelo generalizado para describir el proceso de conmutación ferroeléctrica en las multicapas 3 RMoS₂ y para explicar la formación de estos estados de polarización intermedios.

 

El trabajo revela el papel crítico que juegan tanto el número de capas como el acoplamiento dipolar entre las capas en la ferroelectricidad por deslizamiento. Los resultados aportan una nueva estrategia para el diseño de nuevos dispositivos ferroeléctricos deslizantes.

 

El trabajo fue publicado en Nature Communications

Modulación magnetotérmica del crecimiento de células nerviosas dependientes del calcio

El daño a los nervios conduce a discapacidades que afectan gravemente la calidad de vida. Los tratamientos disponibles no garantizan la regeneración completa de los nervios dañados ni la restauración de la función. La cirugía es invasiva e implica la implantación de autoinjertos diseñados para cerrar los espacios entre las terminaciones nerviosas. Sin embargo, tampoco proporciona una regeneración completa. El campo emergente de la neuromodulación magnética mediada por nanopartículas magnéticas (NPM) aprovecha una susceptibilidad magnética diminuta y la baja conductividad de los tejidos biológicos para enviar estímulos de forma inalámbrica a las células en las profundidades del cuerpo. Las NPM pueden diseñarse para convertir campos magnéticos en distintos estímulos físicos, incluidos calor, fuerza y cambios químicos detectados por el mecanismo de señalización celular.

 

Usando síntesis organometálica, los autores obtuvieron NPM monodispersas recubiertas con ácido oleico, de 21 ± 1 nm de diámetro (Fig. 1b). Luego las recubrieron con una capa adicional de copolímero de bloque anfifílico con un espesor promedio de 4 nm, para conferir biocompatibilidad a las NPM en condiciones fisiológicas. Los autores sugieren que el ingreso de Ca²⁺ a las células neuronales en desarrollo contribuye a su crecimiento acelerado. Para probar esta hipótesis, se aplicó la estimulación magnetotérmica remota de un canal iónico termosensible, lo que provoca la entrada de Ca²⁺. La cuantificación de la elongación de los procesos neuronales -las dendritas y el axón- en presencia de NPM disipadores de calor reveló un aumento en el crecimiento después de la estimulación. El estudio in vitro tuvo como objetivo demostrar el potencial de la estimulación magnetotérmica como un medio para acelerar el crecimiento de las células neuronales y ofrecer información sobre el mecanismo que subyace a este efecto.

 

Se espera que la investigación futura se beneficie de la aplicación de esta tecnología in vivo en modelos de trauma.

 

Publicado recientemente en Advanced Functional Materials

Crecimiento controlado de nanopartículas no esféricas

 

Físicos de universidades y centros de investigación de la República de Uzbekistán y de la Federación Rusa desarrollaron una técnica para el crecimiento de nanopartículas no esféricas mediante la implantación de iones.

 

Los investigadores sintetizaron nanopartículas plasmónicas de cobre mediante el bombardeo de un haz de iones de Cu sobre la capa superficial de una cerámica transparente nanocristalina del compuesto MgAl₂O₄con estructura de espinela, escogido por su resistencia a la radiación. El disco cerámico se fabricó empleando el prensado uniaxial en caliente utilizando nanopolvos de MgAl₂O₄. La cerámica fue bombardeada con el haz perpendicular a la superficie, con una dosis de 1 X 10¹⁷ iones de Cu⁺² por cm² en una atmósfera de Ar.

 

Las cerámicas modificadas fueron tratadas térmicamente paso a paso y simultáneamente se realizó el análisis óptico en cada etapa mediante la obtención de espectros de absorción empleando luz monocromática polarizada. Se observó que se sintetizaron nanopartículas plasmónicas elipsoidales, orientadas a lo largo del flujo de iones, durante el bombardeo. El uso de luz polarizada permitió determinar que, durante la implantación, la dirección del flujo iónico incidente ejerce una atracción sobre las nanopartículas plasmónicas. Desarrollaron un modelo matemático, demostrando que la formación de las nanopartículas elipsoidales se debe a la implementación de procesos competitivos de difusión de iones y una mayor actividad de enlaces químicos en la superficie curva de la nanopartícula.

 

Al cambiar la forma de las nanopartículas de esféricas a no esféricas, se aumenta el rango de absorción óptica. Esto, a su vez, es la base para una mayor conversión de energía absorbida en electricidad o calor. Como resultado, se pueden obtener sensores más funcionales y aumentar su rango de sensibilidad. Asimismo, si estas nanopartículas se incrustan en láseres, la potencia de los láseres aumentará. 

 

Una descripción de la tecnología y los resultados de los primeros experimentos fueron publicados en el Journal of Physics and Chemistry of Solids.

 

Más información en Nanotechnology News.

Desarrollo de óxidos mixtos Al2O3-Y2O3 para la deshidratación catalítica de alcoholes derivados de la biomasa

 

Se espera que en 10 años la tecnología para el aprovechamiento de biomasa permita sustituir del 10 al 15 % de los químicos básicos provenientes de fuentes fósiles por aquellos provenientes de la biomasa. 

 

Entre estos químicos se encuentra el isopropanol (2-propanol). Este alcohol puede servir como base para obtener otros productos químicos básicos como propeno o acetona mediante la deshidratación o deshidrogenación del 2-propanol, respectivamente. La ocurrencia de una u otra  reacción dependerá de la razón acidez/basicidad del catalizador utilizado, por lo que modular está propiedad constituye una herramienta muy importante para ajustar la selectividad. El uso de óxidos mixtos ha mostrado ser una estrategia efectiva para modular tales propiedades.

 

Un grupo de científicos del CNyN, del CICESE y de la Universidad de Tabasco de México, estudió la transformación de isopropanol utilizando catalizadores de óxidos mixtos binarios de Al₂O₃-Y₂O₃. Congruentemente, los experimentos demostraron que con el ajuste del porcentaje en peso de Y₂O₃ (0, 25, 50, 75 y 100 %) se modifican las propiedades texturales y electrónicas, la morfología y la estructura cristalina.

 

En cuanto a la morfología, se encontró que la muestra de alúmina estaba compuesta por nanovarillas que forman microesferas huecas tipo erizo. En cambio, los óxidos mixtos Al₂O₃-Y₂O₃ propiciaron microesferas sólidas, cuyo tamaño mostraba un aumento con el contenido de itria. En contraste, el porcentaje de nanovarillas mostró una disminución con el aumento de itria. Por otro lado, la muestra de itria mostró una morfología completamente distinta compuesta por microplacas y microbastones. Con ello, la morfología esférica se atribuye a la mezcla de fases. Asociado al cambio de morfología, se encontró que el área específica disminuye al aumentar el porcentaje de itria.

 

El trabajo demuestra que los óxidos mixtos Al₂O₃-Y₂O₃ son apropiados para regular la selectividad en la transformación a isopropanol. En específico, los óxidos mixtos Al₂O₃-Y₂O₃ mostraron un efecto sinérgico para aumentar la basicidad y por lo tanto la selectividad a acetona.

 

El trabajo fue publicado recientemente en Applied Catalysis B: Environmental