¿El mejor semiconductor de todos?

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El silicio es uno de los elementos más abundantes en la Tierra y, en su forma pura, el material se ha convertido en la base de gran parte de la tecnología moderna, desde células solares hasta chips de computadora. Pero las propiedades del silicio como semiconductor están lejos de ser ideales.

Por un lado, aunque el silicio permite que los electrones atraviesen su estructura con facilidad, se adapta mucho menos a los “agujeros” (las contrapartes de los electrones con carga positiva) y aprovechar ambos es importante para algunos tipos de chips. Es más, el silicio no es muy bueno para conducir el calor, por lo que los problemas de sobrecalentamiento y los costosos sistemas de refrigeración son comunes en las computadoras.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT, la Universidad de Houston y otras instituciones ha llevado a cabo experimentos que muestran que un material conocido como arseniuro de boro cúbico supera ambas limitaciones. Proporciona alta movilidad tanto a electrones como a huecos y tiene una excelente conductividad térmica. Es, dicen los investigadores, el mejor material semiconductor jamás encontrado, y quizás el mejor posible.

Hasta ahora, el arseniuro de boro cúbico sólo se ha fabricado y probado en pequeños lotes a escala de laboratorio que no son uniformes. Los investigadores tuvieron que utilizar métodos especiales desarrollados originalmente por el ex postdoctorado del MIT Bai Song para probar pequeñas regiones dentro del material. Se necesitará más trabajo para determinar si el arseniuro de boro cúbico se puede producir de una forma práctica y económica, y mucho menos reemplazar el omnipresente silicio. Pero incluso en un futuro próximo, el material podría encontrar algunos usos en los que sus propiedades únicas marcarían una diferencia significativa, afirman los investigadores.

Los hallazgos se informan hoy en la revista Science, en un artículo del postdoctorado del MIT Jungwoo Shin y el profesor de ingeniería mecánica del MIT Gang Chen; Zhifeng Ren de la Universidad de Houston; y otras 14 personas en el MIT, la Universidad de Houston, la Universidad de Texas en Austin y el Boston College.

Investigaciones anteriores, incluido el trabajo de David Broido, coautor del nuevo artículo, habían predicho teóricamente que el material tendría una alta conductividad térmica; El trabajo posterior demostró esa predicción experimentalmente. Este último trabajo completa el análisis confirmando experimentalmente una predicción hecha por el grupo de Chen allá por 2018: que el arseniuro de boro cúbico también tendría una movilidad muy alta tanto para los electrones como para los huecos, “lo que hace que este material sea realmente único”, afirma Chen.

Los experimentos anteriores demostraron que la conductividad térmica del arseniuro de boro cúbico es casi diez veces mayor que la del silicio. "Por lo tanto, esto es muy atractivo sólo para la disipación de calor", dice Chen. También demostraron que el material tiene una muy buena banda prohibida, propiedad que le confiere un gran potencial como material semiconductor.

Ahora, el nuevo trabajo completa el panorama y muestra que, con su alta movilidad tanto para los electrones como para los huecos, el arseniuro de boro tiene todas las cualidades principales necesarias para un semiconductor ideal. “Esto es importante porque, por supuesto, en los semiconductores tenemos cargas positivas y negativas equivalentes. Entonces, si construyes un dispositivo, querrás tener un material donde tanto los electrones como los huecos viajen con menos resistencia”, dice Chen.

El silicio tiene buena movilidad de electrones pero pobre movilidad de huecos, y otros materiales como el arseniuro de galio, ampliamente utilizado para láseres, tienen de manera similar buena movilidad para los electrones pero no para los huecos.

"El calor es ahora un importante cuello de botella para muchos productos electrónicos", dice Shin, el autor principal del artículo. “El carburo de silicio está reemplazando al silicio en la electrónica de potencia en las principales industrias de vehículos eléctricos, incluida Tesla, ya que tiene una conductividad térmica tres veces mayor que el silicio a pesar de su menor movilidad eléctrica. Imagine lo que pueden lograr los arseniuros de boro, con una conductividad térmica 10 veces mayor y una movilidad mucho mayor que el silicio. Puede ser un punto de inflexión”.

Shin añade: "El hito fundamental que hace posible este descubrimiento son los avances en los sistemas de rejillas láser ultrarrápidas en el MIT", desarrollados inicialmente por Song. Sin esa técnica, afirma, no habría sido posible demostrar la alta movilidad del material para electrones y huecos.

Las propiedades electrónicas del arseniuro de boro cúbico se predijeron inicialmente basándose en cálculos de la función de densidad de la mecánica cuántica realizados por el grupo de Chen, dice, y esas predicciones ahora han sido validadas a través de experimentos realizados en el MIT, utilizando métodos de detección óptica en muestras hechas por Ren y miembros de el equipo de la Universidad de Houston.

Los investigadores dicen que la conductividad térmica del material no sólo es la mejor de cualquier semiconductor, sino que tiene la tercera mejor conductividad térmica de cualquier material, después del diamante y el nitruro de boro cúbico enriquecido isotópicamente. "Y ahora, predijimos el comportamiento mecánico cuántico de electrones y huecos, también a partir de primeros principios, y se ha demostrado que eso también es cierto", dice Chen.

"Esto es impresionante, porque en realidad no conozco ningún otro material, aparte del grafeno, que tenga todas estas propiedades", afirma. "Y este es un material a granel que tiene estas propiedades".

El desafío ahora, dice, es encontrar formas prácticas de producir este material en cantidades utilizables. Los métodos actuales para hacerlo producen material muy no uniforme, por lo que el equipo tuvo que encontrar formas de probar solo pequeños parches locales del material que fueran lo suficientemente uniformes como para proporcionar datos confiables. Si bien han demostrado el gran potencial de este material, "no sabemos si realmente se utilizará ni dónde", dice Chen.

"El silicio es el caballo de batalla de toda la industria", afirma Chen. “Entonces, está bien, tenemos un material que es mejor, pero ¿realmente va a compensar a la industria? No lo sabemos”. Si bien el material parece ser casi un semiconductor ideal, "si realmente puede entrar en un dispositivo y reemplazar parte del mercado actual, creo que aún está por demostrarse".

Y aunque se ha demostrado que las propiedades térmicas y eléctricas son excelentes, hay muchas otras propiedades de un material que aún no se han probado, como su estabilidad a largo plazo, afirma Chen. "Para fabricar dispositivos, hay muchos otros factores que aún no conocemos".

Y añade: "Esto podría ser potencialmente muy importante y la gente ni siquiera ha prestado atención a este material". Ahora que las propiedades deseables del arseniuro de boro se han vuelto más claras, lo que sugiere que el material es "en muchos sentidos el mejor semiconductor", dice, "tal vez se preste más atención a este material".

Para usos comerciales, dice Shin, “un gran desafío sería cómo producir y purificar arseniuro de boro cúbico con tanta eficacia como el silicio. … El silicio tardó décadas en ganar la corona, con una pureza de más del 99,99999999 por ciento, o '10 nueves' para la producción en masa actual”.

Para que sea práctico en el mercado, dice Chen, “realmente se requiere que más personas desarrollen diferentes formas de fabricar mejores materiales y caracterizarlos”. Queda por ver si se dispondrá de la financiación necesaria para tal desarrollo, afirma.

La investigación contó con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval de EE. UU. y utilizó las instalaciones experimentales compartidas MRSEC del MIT, con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias.

Physics World ha incluido dos avances de investigación de investigadores del MIT en su lista de los 10 principales avances del año. El profesor Gang Chen y sus colegas fueron seleccionados por su trabajo “que demuestra que el arseniuro de boro cúbico es uno de los mejores semiconductores conocidos por la ciencia”. El profesor Asegun Henry, la estudiante de posgrado Alina LaPotin y sus colegas fueron nominados por "construir una celda termofotovoltaica (TPV) con una eficiencia de más del 40%".

La reportera de NBC News, Kimmy Yam, señala que meses después de que se desestimaran todos los cargos que enfrentó en virtud de la “Iniciativa China”, el profesor Gang Chen y sus colegas descubrieron un nuevo material que puede funcionar mejor que el silicio. "El descubrimiento podría tener efectos de gran alcance, ya que el silicio se encuentra actualmente entre los semiconductores más utilizados y constituye la base de la tecnología moderna, desde los chips de ordenador hasta los teléfonos inteligentes", escribe Yam.

Los investigadores del MIT creen haber encontrado un nuevo semiconductor que es mejor que el silicio, lo que podría abrir las puertas a chips de computadora potencialmente más rápidos y más pequeños en el futuro, informa Rachel Cheung de Vice. "El arseniuro de boro cúbico tiene una movilidad significativamente mayor tanto para la electrónica como para sus homólogos cargados positivamente que el silicio, el omnipresente semiconductor utilizado en la electrónica y las computadoras", explica Cheung.

Investigadores del MIT y otras instituciones demostraron “que el arseniuro de boro cúbico conduce mejor el calor y la electricidad que el silicio”, informa Nicholas Gordon para Fortune. "El nuevo material puede ayudar a los diseñadores a superar los límites naturales de los modelos actuales para fabricar chips mejores, más rápidos y más pequeños", escribe Gordon.

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