Nuevo enfoque para el cultivo de nitruro de boro cúbico:

El investigador de materiales de la Universidad de Lehigh, Siddha Pimputkar, gana el premio NSF CAREER por desarrollar un método novedoso para cultivar nitruros monocristalinos a granel, un avance que podría conducir a dispositivos electrónicos más eficientes y menos costosos, así como a herramientas de fabricación innovadoras.

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Imagen: Siddha Pimputkar, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Lehigh, ganó un premio NSF CAREER por su propuesta "Síntesis de nitruros mediante descomposición controlada de precursores bajo presión moderada".ver más

Crédito: Universidad de Lehigh

Cada disciplina tiene su santo grial. Para Siddha Pimputkar, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas PC Rossin de la Universidad de Lehigh, se trata del nitruro de boro cúbico.

Los nitruros son un amplio conjunto de compuestos químicos en los que un átomo de nitrógeno está unido a otro elemento como el galio o el boro, o la mayoría de los metales.

Algunos de estos nitruros son semiconductores potentes, más eficientes que el silicio, esa presencia omnipresente en casi todos los dispositivos que enciende o conecta. Algunos nitruros rivalizan con el diamante en su dureza. Algunos también son capaces de trabajar en entornos extremos. Y algunos, como el nitruro de boro cúbico, pueden hacer todas esas cosas.

"En comparación con el silicio, el nitruro de boro cúbico tiene el potencial de funcionar en condiciones más extremas, incluidos voltajes y corrientes más altos, como los que se encuentran en la red eléctrica", dice Pimputkar. “Cuanto mayor sea el voltaje al que se puede operar, menos corriente se requiere para entregar la misma cantidad de energía. Al igual que las líneas de transmisión de energía, nos gustaría operar con los voltajes más altos posibles para reducir la cantidad de corriente que circula por el sistema y, en consecuencia, reducir el calor residual que se genera debido a ineficiencias en el sistema. Esto, a su vez, permite eliminar o reimaginar componentes completos de los circuitos, reduciendo así el tamaño de estos convertidores de energía eléctrica y, por tanto, su costo”.

Por ejemplo, dice, “una aplicación son los vehículos híbridos o eléctricos, en los que no se necesitarían sistemas de refrigeración activos, incluidos ventiladores y controles asociados, para mantener fríos los sistemas de control de energía como se hace con la tecnología basada en silicio. Se puede eliminar esa complejidad y esos puntos de falla porque las propiedades del nitruro de boro cúbico le permiten operar a voltajes y temperaturas mucho más altos, lo que hace que el enfriamiento pasivo sea aceptable”.

Como material, los nitruros tienen un potencial apasionante y de gran alcance. También son muy, muy difíciles de hacer.

Pero la propuesta de Pimputkar de desarrollar un sistema innovador para hacer precisamente eso obtuvo recientemente el apoyo del programa de Desarrollo Profesional Temprano de la Facultad (CAREER) de la Fundación Nacional de Ciencias.

El prestigioso premio NSF CAREER se otorga anualmente a profesores jóvenes de todo Estados Unidos que ejemplifican el papel de los docentes académicos a través de una investigación sobresaliente, una educación excelente y la integración de la educación y la investigación. Cada concesión proporciona un apoyo estable a un nivel de aproximadamente 500.000 dólares durante un período de cinco años.

Cristales 'cocidos a presión'

En este proyecto, Pimputkar intentará superar un problema complejo y de larga data: la incapacidad de cultivar nitruros grandes, monocristalinos y sin defectos de forma económica y luego poder escalar ese crecimiento.

El tamaño importa, explica Pimputkar, porque con cada aumento en el diámetro de un cristal, el costo final de los componentes electrónicos, como los convertidores de potencia utilizados para cargar computadoras portátiles y teléfonos, disminuye. (Una vez crecido, un cristal se asemeja a un trozo sólido de materia, que luego se corta en finas obleas redondas que forman la plataforma para fabricar chips electrónicos de potencia. Cuanto más grande sea la oblea, más chips se pueden fabricar en un solo paso de procesamiento, lo que hace que cada chip más barato.)

Los defectos obviamente importan. Los átomos dentro del cristal deben estar perfectamente orientados entre sí, y cada vecino debe ser de un elemento específico, dice, porque cualquier desviación afectará negativamente el rendimiento y la capacidad del material y, por tanto, de la electrónica.

Y, por último, el tiempo importa. Los métodos típicos de crecimiento de cristales en masa para nitruros logran tasas de crecimiento del orden de 0,1 a 1 milímetro por día. Esto es demasiado lento para hacer que los nitruros sean comercialmente viables, dice, especialmente cuando la industria exige una gran cantidad de obleas económicas con un diámetro de al menos seis pulgadas.

Es un proceso complicado hacerlo bien.

"Hemos descubierto cómo hacerlo con el silicio y el arseniuro de galio [un material semiconductor utilizado en células solares y LED infrarrojos]", dice Pimputkar. “Pero para los nitruros, no podemos usar esas mismas tecnologías porque dependen de fundir el material y volver a solidificarlo. Cuando se calienta un nitruro, normalmente se desmorona a nivel atómico en metal y gas nitrógeno. Las soluciones actuales que superan esta limitación producen algunos nitruros, aunque de manera insuficiente y, lo que es más importante, no proporcionan un camino hacia el nitruro de boro cúbico y otros nitruros muy interesantes. Por eso propongo un enfoque completamente nuevo”.

Ese enfoque implica un precursor que contiene nitruro de litio, junto con una especie de olla a presión especializada capaz de contener litio altamente reactivo. Utilizando los mismos principios que podría emplear para cocinar un rosbif en una olla instantánea, Pimputkar podrá calentar el sistema a una temperatura más alta y convertirlo en líquido sin que el nitruro se deshaga.

“Lo bueno del nitruro de litio es que contiene un 25 por ciento de nitrógeno. Mientras que con otros líquidos que disuelven nitrógeno, normalmente se habla de 10-6 o menos, por lo que hay millones de veces menos nitrógeno disponible para formar un cristal de nitruro”, dice. “Así que esto es enorme. Desde una perspectiva química, promueve dramáticamente el crecimiento de nitruros”.

Pimputkar también propone un replanteamiento radical de cómo iniciar y mantener el crecimiento de cristales utilizando este sistema, superando de hecho las limitaciones conocidas de la técnica.

Un sistema que escala

El impacto potencial, afirma, es igualmente enorme. Pimputkar cree que su enfoque le permitirá fabricar una variedad de materiales de nitruro, incluidos materiales binarios como el nitruro de galio y el nitruro de aluminio (utilizados en LED, transistores y diodos de luz visible) y materiales ternarios como el nitruro de aluminio y galio (que se encuentra en LED UV y láseres y detectores UV, entre otros dispositivos), además de demostrar la existencia de otros nitruros novedosos. Dice que también le permitirá controlar la actividad de cada elemento en el material de nitruro, lo que le permitirá controlar la composición del cristal que está cultivando. Y podrá, por primera vez, cultivar cristales de nitruro de boro cúbico de gran diámetro.

Si bien todos los nitruros son difíciles de cultivar, el nitruro de boro cúbico es particularmente desafiante. Así como el carbono puede existir como diamante o grafito (ambos son 100 por ciento carbono), el nitruro de boro puede existir como nitruro de boro hexagonal (similar al grafito) o como nitruro de boro cúbico (similar al diamante).

"Una disposición hexagonal proporciona propiedades completamente diferentes", afirma Pimputkar. “El nitruro de boro cúbico es extremadamente duro, casi tan duro como el diamante. El nitruro de boro hexagonal es como el grafito. Puedes frotarlo y se desmenuza. Y también tiene propiedades térmicas y electrónicas completamente diferentes, por lo que no es deseable utilizarlo en dispositivos electrónicos de potencia. Tiene que estar en esta disposición cúbica para obtener las propiedades materiales extremas deseadas”.

El único método para cultivar nitruro de boro cúbico que no da como resultado esta configuración hexagonal utiliza sistemas de yunque de alta presión y alta temperatura.

“Estos sistemas pueden sufrir presiones que rivalizan con las presiones en el centro de la Tierra. Estamos hablando de presiones de casi un millón de libras de fuerza por pulgada cuadrada, similares a las condiciones en las que los diamantes quieren crecer”, afirma. “Es posiblemente la única manera en la que podemos cultivar nitruro de boro cúbico en forma de cristales individuales hasta la fecha. Pero no se puede escalar. Sólo volúmenes del tamaño de unos pocos centímetros cúbicos pueden estar sujetos a esas presiones y a esa temperatura. Así que los cristales más grandes que hemos podido producir hasta la fecha tienen sólo unos pocos milímetros de diámetro”.

Pimputkar dice que su sistema superará ese obstáculo. Empleará temperaturas más bajas, lo que, a su vez, permitirá una presión dramáticamente más baja. “Es más fácil trabajar con mi sistema y se puede construir para volúmenes mayores, por lo que ahora podemos empezar a pensar en términos de escala industrial, digamos, sistemas de 6, 8 o 10 pulgadas. Por supuesto, comenzaremos poco a poco, ya que tener incluso un cristal de 1 pulgada de diámetro ya resultaría transformador”.

Y eso podría conducir a una afluencia de productos innovadores y de bajo costo al mercado. Como semiconductores supereficientes, el nitruro de galio y el nitruro de boro cúbico podrían tener un enorme impacto en la industria de los semiconductores, valorada en 500.000 millones de dólares, afirma Pimputkar. Y aunque el nitruro de boro cúbico puede ocupar el segundo lugar después del diamante en términos de dureza, a diferencia del diamante, puede usarse para cortar metales ferrosos. (El diamante está hecho de carbono, que puede reaccionar con el hierro y cambiar sus propiedades).

"Esto podría dar lugar a una nueva generación de herramientas para la fabricación innovadora", afirma Pimputkar.

Impactando con los materiales

Para cumplir con el componente educativo de su propuesta de CARRERA, Pimputkar creará el programa BUILDERS (Boldly Utilizing Innovation to Lead in Developing Engineers for Research and Science). Conectará a estudiantes de secundaria y preparatoria de diversos orígenes y de comunidades actualmente subrepresentadas en STEM con estudiantes universitarios de Lehigh para aprender cómo construir y usar aparatos simples de crecimiento de cristales para sintetizar cristales individuales. El objetivo es entusiasmar a los jóvenes estudiantes con las carreras STEM y crear conciencia sobre el impacto que la creación y manipulación de equipos puede tener en nuestras capacidades futuras.

Es ese potencial de impacto, tanto en la industria como en la forma en que vivimos nuestra vida diaria a través de los dispositivos y sistemas de los que dependemos, lo que lo motiva.

"Mi filosofía es que es necesario construir equipos nuevos e innovadores para ir más allá y hacer nueva ciencia y nueva tecnología", dice. “La fabricación de un nuevo material conlleva consecuencias en cascada. Puede conducir a nuevos dispositivos, más empleos y la capacidad de hacer cosas nuevas. Así como la revolución del silicio cambió nuestra forma de vida al permitir computadoras económicas, Internet y, más recientemente, células solares increíblemente baratas, es importante tener en cuenta que todo esto comenzó con su síntesis monocristalina”.

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Acerca de Siddha Pimputkar

Siddha Pimputkar es profesor asistente de PC Rossin en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Lehigh. Se incorporó al cuerpo docente de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas PC Rossin en 2016. Anteriormente, fue investigador postdoctoral en el Departamento de Materiales de la Universidad de California, Santa Bárbara, donde también recibió su doctorado en materiales. También tiene una licenciatura en ingeniería mecánica del Instituto de Tecnología de Illinois.

La investigación de Pimputkar se centra en la síntesis de materiales monocristalinos a granel y de película fina que contienen nitrógeno. Ha publicado 21 artículos, un libro y dos capítulos de libros sobre el crecimiento de nitruro de galio a granel y sobre la investigación termodinámica de sistemas amonotérmicos. Posee tres patentes (con 25 solicitudes de patente pendientes) y ha sido invitado a hablar en 18 conferencias.

Pimputkar ha obtenido varias subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias y ha recibido premios de la NSF, el Departamento de Seguridad Nacional, la NASA, Lehigh, UC Santa Barbara e Illinois Tech.

Es miembro de la Asociación Estadounidense para el Crecimiento de Cristales (AACG), la Sociedad Estadounidense de Cerámica (ACerS), la Sociedad de Investigación de Materiales (MRS), el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), Sigma Xi y Tau Beta Pi. Ha formado parte de numerosos comités de programas para conferencias y ha organizado una escuela de verano amonotérmica. Fue editor invitado del Journal of Crystal Growth, es copresidente del simposio de síntesis y caracterización de BN para el próximo AACGE/OMVPE 202 y es el presidente de la conferencia del Taller internacional sobre semiconductores de nitruro a granel (IWBNS) en 2022.

Enlaces relacionados:

Perfil del profesorado de Rossin College: Siddha Pimputkar

Resumen del premio NSF (2046468): CARRERA: Síntesis de nitruro mediante descomposición controlada de precursores bajo presión moderada

Universidad de Lehigh: Materiales para tecnologías avanzadas y sostenibilidad (Grupo MATS)

Taller internacional sobre semiconductores de nitruro a granel - XI

Universidad de Lehigh: Instituto de Materiales y Dispositivos Funcionales

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