Cómo crear nanocables de solo tres átomos de ancho con un haz de electrones

Junhao Lin, doctorado de la Universidad de Vanderbilt. estudiante y científico visitante en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), ha encontrado una manera de utilizar un haz de electrones finamente enfocado para crear algunos de los cables más pequeños jamás fabricados. Los cables metálicos flexibles tienen sólo tres átomos de ancho: una milésima parte del ancho de los cables microscópicos utilizados para conectar los transistores en los circuitos integrados actuales.

El logro de Lin se describe en un artículo publicado en línea el 28 de abril por la revista Nanotecnología de la naturaleza. Según su asesor Sokrates Pantelides, profesor distinguido de Física e Ingeniería de la Universidad de Vanderbilt, y sus colaboradores en ORNL, la técnica representa una nueva e interesante forma de manipular la materia a nanoescala y debería dar un impulso a los esfuerzos por crear circuitos electrónicos a partir de monocapas atómicas, el factor de forma más delgado posible para objetos sólidos.

"Junhao tomó este proyecto y realmente lo puso en práctica", dijo Pantelides.

Lin fabricó los diminutos cables a partir de una familia especial de materiales semiconductores que forman monocapas de forma natural. Estos materiales, llamados dicalcogenuros de metales de transición (TMDC), se obtienen combinando los metales molibdeno o tungsteno con azufre o selenio. El miembro más conocido de la familia es el disulfuro de molibdeno, un mineral común que se utiliza como lubricante sólido.

Las monocapas atómicas son objeto de considerable interés científico hoy en día porque tienden a tener una serie de cualidades notables, como resistencia y flexibilidad excepcionales, transparencia y alta movilidad de electrones. Este interés se despertó en 2004 con el descubrimiento de una forma sencilla de crear grafeno, una red en forma de panal de átomos de carbono a escala atómica que ha exhibido una serie de propiedades récord, incluidas resistencia, electricidad y conducción de calor. A pesar de las propiedades superlativas del grafeno, los expertos han tenido problemas para convertirlo en dispositivos útiles, un proceso que los científicos de materiales llaman funcionalización. Por eso, los investigadores han recurrido a otros materiales monocapa como los TMDC.

Otros grupos de investigación ya han creado transistores funcionales y puertas de memoria flash a partir de materiales TMDC. Así pues, el descubrimiento de cómo fabricar cables proporciona los medios para interconectar estos elementos básicos. Junto a los transistores, el cableado es una de las partes más importantes de un circuito integrado. Aunque el de hoy circuitos integrados (chips) son del tamaño de una miniatura y contienen más de 20 millas de cableado de cobre.

"Esto probablemente estimulará un gran interés en la investigación en el diseño de circuitos monocapa", dijo Lin. "Debido a que esta técnica utiliza irradiación de electrones, en principio puede ser aplicable a cualquier tipo de instrumento basado en electrones, como la litografía por haz de electrones".

Una de las propiedades intrigantes de los circuitos monocapa es su dureza y flexibilidad. Es demasiado pronto para predecir qué tipo de aplicaciones producirá, pero “si dejas volar tu imaginación, puedes imaginar tabletas y pantallas de televisión tan delgadas como una hoja de papel que puedes enrollar y guardar en tu bolsillo o bolso”, comentó Pantelides.

Además, Lin prevé que la nueva técnica podría permitir crear circuitos tridimensionales apilando monocapas "como bloques de Lego" y utilizando haces de electrones para fabricar los cables que conectan las capas apiladas.

La fabricación de nanocables se llevó a cabo en ORNL en el grupo de microscopía dirigido hasta hace poco por Stephen J. Pennycook, como parte de una colaboración en curso entre Vanderbilt y ORNL que combina microscopía y teoría para estudiar sistemas de materiales complejos. Junhao es un estudiante de posgrado que se centra tanto en la teoría como en la microscopía electrónica en su investigación doctoral. Su principal mentor en microscopía ha sido Wu Zhou, miembro de ORNL Wigner.

"Junhao usó un escáner microscopio electrónico de transmisión (STEM) que es capaz de enfocar un haz de electrones hasta un ancho de medio angstrom (aproximadamente la mitad del tamaño de un átomo) y apunta este haz con una precisión exquisita”, dijo Zhou.