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• Uzziel Palma

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Nuevos materiales semiconductores Introducción Los avances de la física y la aparición de la electrónica combinada con los progresos de la ciencia de los materiales han dado lugar a circuitos eléctricos y electrónicos muy reducidos capaces de controlar señales eléctricas de muy baja intensidad, gracias a nuevos materiales eléctricos como: semiconductores, superconductores y piezoeléctricos. Los materiales semiconductores como el silicio, galio o selenio, arseniuro de galio, etc., cuya resistencia al paso de la corriente depende de factores como la temperatura, la tensión mecánica o el grado de iluminación que se aplica son la materia prima que ha permitido desarrollar todos los dispositivos electrónicos y optoelectrónicos actuales. Gracias a estos existen diodos, transistores, celdas solares, LEDs, láseres, celdas fotoeléctricas o fotodetectores, además con ellos se fabrican microchips para ordenadores y circuitos de puertas lógicas. Desarrollo: De todos es conocido que el material semiconductor por excelencia es el Silicio. Cada vez es más difícil reducir el tamaño de los transistores basados en silicio de forma regular. Hoy en día, los fabricantes de semiconductores mantienen el mismo nodo de proceso durante más de dos años, desafiando la famosa predicción de Gordon Moore. El silicio tiene muchas características que lo convierten en un material semiconductor ideal: se encuentra abundantemente en la Tierra. Cuando se expone al oxígeno, crea una capa de dióxido de silicio que aísla el circuito del semiconductor que a su vez funciona como aislante. No obstante, se están desarrollando nuevos materiales con propiedades de conductividad extremadamente buenas que podrían utilizarse en la nanoelectrónica. Semiconductores orgánicos Los semiconductores orgánicos son capaces de ofrecer soluciones a los diferentes problemas con los que nos enfrentamos hoy en día, a través del uso inteligente de sus propiedades intrínsecas (son económicos, flexibles, transparentes y ligeros), lo que permite dar lugar a nuevos conceptos y diseños de dispositivos electrónicos. El mejor ejemplo lo encontramos en los diodos orgánicos emisores de luz (OLED). Fueron los primeros dispositivos basados en materiales orgánicos que se produjeron a gran escala y han revolucionado la industria de las pantallas al ofrecer un hardware que consume mucha menos energía y que ofrece una mayor calidad, además de utilizar menos espacio físico. Hoy en día los podemos encontrar en los teléfonos móviles y en los televisores ultraplanos y de alta resolución, lo que permite soluciones únicas tales como los televisores curvos y las pantallas transparentes. Nanohilos semiconductores Los nanohilos semiconductores son los protagonistas de diversas líneas de investigación sobre futuras generaciones de dispositivos del mundo electrónico en nanoescala. Son considerados como uno de los elementos básicos para desarrollar aplicaciones de

nanotecnología. Es importante que tengan una alta relación superficie-volumen donde ciertas propiedades pueden cambiar. Una de las formas más baratas de obtener nanohilos la encontramos en los sistemas térmicos. Colocando un metal, óxido de zinc, por ejemplo, sobre un sustrato y calentando este último, estaremos actuando sobre el primero de tal manera que se alargue y obtengamos un nanohilo con una “gota” de metal en la punta. También podemos colocar un polvo en el interior de un horno e introducir gas dentro. Esto provocará que el polvo se vaya evaporando y al golpear con el gas se formen nanohilos. Introduciendo en los nanohilos zonas de dopaje selectivo con átomos donadores o aceptores de carga, podemos conseguir la creación de uniones PN de semiconductores dopados para que circulen por ellos cargas negativas y semiconductores dopados para que sean cargas positivas las que transmitan la corriente, o lo que es lo mismo, creamos en los hilos diodos en la nanoescala. La creación de un diodo es el paso previo a la creación de un transmisor: se alternan en un mismo hilo capas con distinto dopaje o de diferentes materiales semiconductores, aislantes y metales. Los nanohilos presentan propiedades optoelectrónicas. Pueden funcionar cono diodos emisores de luz (LED). De este modo y gracias a que la técnica actual permite seleccionar la localización en la que se quiere ir generando los nanohilos y tener un control casi absoluto del depósito de capas atómicas de diferentes materiales sobre ellos, podemos crear dispositivos electrónicos u optoelectrónicos con una alta densidad de transistores, diodos o LED y por lo tanto circuitos complejos o paneles lumínicos que ocupen muy poco espacio. El menor espacio implica también un menor consumo energético y un aumento de las prestaciones. En este sentido, los nanohilos semiconductores se han venido utilizando tanto para la creación de nanodispositivos electrónicos y optoelectrónicos como para sensores de diversa índole o para la creación de generadores de energía y células solares de alto rendimiento. Los nanohilos semiconductores también se están diseñando dispositivos para captarla valiéndose de las propiedades semiconductoras. En este sentido, las uniones PN y PIN en nanohilos hacen que estos puedan usarse en células solares de alto rendimiento, impulsando las nuevas energías renovables. Grafeno El nuevo método consiste en desarrollar nanocables semiconductores en grafeno. Para ello, los investigadores “bombardean” la superficie de este material con átomos de galio y moléculas de arsénico, generando así una red de minúsculos nanocables. El resultado es un material híbrido, de un grosor de tan solo un micrómetro, que actúa eficientemente como semiconductor. En comparación, los semiconductores actuales de silicio (material que se usa en la fabricación de chips para transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos), serían varios cientos de veces más gruesos.

La capacidad conductora de electricidad del semiconductor de grafeno creado podría, además, ser influida por la temperatura, la luz o la adición de otros átomos. Como se ha dicho, el grafeno es el material más duro del mundo. Pero, además, es también el material más fino conocido. Consiste en una sola capa de átomos de carbono, transparente y flexible. El grafeno conduce asimismo la electricidad y el calor de manera muy eficiente y, quizá lo que es lo más importante, tiene un coste de producción muy bajo. En resumen, el grafeno es un semiconductor que puede operar a escala nanométrica y a temperatura ambiente, con propiedades que ningún otro semiconductor ofrece. Este material ha llegado para revolucionar la electrónica permitiendo fabricar dispositivos electrónicos muchos más pequeños que cualquiera de los que existen actualmente. Sólo falta desarrollar algún proceso industrial para fabricar el material con las propiedades semiconductores de manera masiva. Pero todo está por llegar. Cada vez está más próximo el momento del relevo para el Silicio. Diselenuro de hafnio y diselenuro de circonio Esto materiales son óxidos de diselenuro de hafnio y diselenuro de circonio, elementos que además de mantener algunas similitudes con el silicio que los hace viables para la fabricación de semiconductores también pueden alcanzar procesos de fabricación más reducidos sin problemas. Ambos elementos tienen una naturaleza dieléctrica de alto k, lo que significa que tienen una conductividad eléctrica inferior a la del silicio y que por ello podrían prevenir las filtraciones de electrones de las puertas lógicas incluso en procesos productivos muy pequeños. Los investigadores dicen que con estos materiales podrían crear semiconductores con un grosor de tres átomos, y que además necesitarían menos energía que las soluciones basadas en silicio. Parece que en principio la idea de los expertos es integrar estos materiales para utilizarlos de forma conjunta con el silicio, una alternativa mixta que permitiría seguir aprovechando una de las grandes ventajas de este frente a otros materiales; su abundancia y bajo coste. Es interesante, pero todos los grandes avances en materia de semiconductores de los últimos años no han llegado a salir del laboratorio y han empezado a acumularse en la lista de "posibles opciones", y puede que éste no sea una excepción. Materiales Bidimensionales Los materiales bidimensionales (2D) que son semiconductores, como MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 y fosforeno (fósforo negro), tienen propiedades electrónicas, ópticas y químicas que los hacen más atractivos que el grafeno en muchas aplicaciones. Todos estos materiales tienen un bandgap menor de 2,0 eV, lo que restringe sus propiedades optoelectrónicas en el azul y en el ultravioleta. Según los cálculos teóricos, pues aún no han sido fabricados y medidos, el arseneno (As) y el antimoneno (Sb) tienen bandgaps de 2,49 y 2,28 eV (para láminas de un solo átomo de grosor).

Los materiales bidimensionales (2D) de grosor atómico pueden presentar propiedades electrónicas y ópticas radicalmente diferentes a las de sus homólogos tridimensionales, de mayor grosor. Un proyecto financiado con fondos europeos abrió el camino a la modelización y el trabajo experimental para personalizar estas propiedades en función de nuestras necesidades. Los materiales bidimensionales apilados poseen diversas propiedades ajustables que se espera que sean importantes para futuras aplicaciones en electrónica y optoelectrónica. Las posibles aplicaciones van de componentes de microchips a paneles solares finos y flexibles o pantallas de visualización. Como consecuencia del trabajo de este proyecto, se han realizado más estudios sobre otros sistemas de materiales bidimensionales. Conclusión: Siempre resulta arriesgado predecir descubrimientos científicos y avances técnicos. En especial cuando se trata de predecir el futuro de los materiales actuales, en donde el campo de investigación actual es tan numeroso. Se puede notar que el énfasis en estos nuevos materiales semiconductores radica en tres aspectos fundamentales, los cuales son materiales inteligentes, nanotecnológicos y procesos de fabricación reducida. La revolución de estos materiales va a influir en el ambiente de la computación a través de microprocesadores más rápidos y con un menor consumo debido a la reducción del espacio entre componentes (menos cableado que significa menores pérdidas de energía). De cualquier manera, un aspecto que no debe pasar desapercibo es el impacto ambiental que generará, ya que no basta la fabricación de un material rentable económicamente si su fabricación y uso resultan perjudiciales con el medio ambiente, al fin y al cabo, esa es la ética con la cual trabaja cualquier Ingeniero en general. Referencias: https://cordis.europa.eu/result/rcn/227890_es.html https://www.europapress.es/ciencia/laboratorio/noticia-indio-selenio-semiconductorauxilio-ley-moore-20161122172139.html https://nanotecnologia.fundaciontelefonica.com/2013/05/21/nanohilos-semiconductores/ https://nanotecnologia.fundaciontelefonica.com/2008/04/01/nuevos-materiales-el-grafeno/ https://nanotecnologia.fundaciontelefonica.com/2016/07/13/nanotecnologia-ensemiconductores-organicos/ https://www.agenciasinc.es/Entrevistas/Los-semiconductores-organicos-permiten-crearnuevos-dispositivos-electronicos https://www.zdnet.com/article/new-semiconductor-materials-touted-as-the-future-for-ourchips/ http://www.economia.unam.mx/secss/docs/tesisfe/SampereLJC/segunda.pdf https://myprofetecnologia.wordpress.com/2013/02/10/los-nuevos-materiales/