El Material De Bismuto Y Antimonio Comparte Las Propiedades Inusuales Del Grafeno

Las películas delgadas de bismuto-antimonio tienen potencial para nuevos chips semiconductores

El candidato a doctorado Shuang Tang, a la izquierda, y la profesora del Instituto Mildred Dresselhaus. Foto: Dominick Reuter

Recientemente, la Universidad de Rice compartió noticias de sus nanotubos de boro 2-D que tienen ventajas sobre los nanotubos de carbono y ahora los científicos de MIT han encontrado otro compuesto hecho de una fina película de bismuto-antimonio que comparte similitudes y propiedades complementarias con grafeno .

Grafeno, un solo átomo capa gruesa de carbono, ha generado mucha investigación sobre sus propiedades electrónicas, ópticas y mecánicas únicas. Ahora, los investigadores del MIT han encontrado otro compuesto que comparte muchas de las características inusuales del grafeno y, en algunos casos, tiene interesantes propiedades complementarias a este material tan anunciado.

El material, una película delgada de bismuto-antimonio, puede tener una variedad de características controlables diferentes, encontraron los investigadores, dependiendo de la temperatura y presión ambientales, el grosor del material y la orientación de su crecimiento. La investigación, realizada por el candidato a doctorado en ciencia e ingeniería de materiales Shuang Tang y la profesora del Instituto Mildred Dresselhaus, aparece en la revista Nano Letters .

Al igual que el grafeno, el nuevo material tiene propiedades electrónicas que se conocen como conos de Dirac bidimensionales, un término que se refiere al gráfico en forma de cono que representa la energía frente al momento de los electrones que se mueven a través del material. Estas propiedades inusuales, que permiten que los electrones se muevan de una manera diferente a la que es posible en la mayoría de los materiales, pueden otorgar a las películas de bismuto-antimonio propiedades que son muy deseables para aplicaciones en la fabricación de chips electrónicos de próxima generación o generadores y refrigeradores termoeléctricos.

En tales materiales, dice Tang, los electrones “pueden viajar como un rayo de luz”, lo que potencialmente hace posibles nuevos chips con capacidades computacionales mucho más rápidas. En algunos casos, el flujo de electrones podría ser cientos de veces más rápido que en los chips de silicio convencionales, dice.

De manera similar, en una aplicación termoeléctrica, donde una diferencia de temperatura entre dos lados de un dispositivo crea un flujo de corriente eléctrica, el movimiento mucho más rápido de los electrones, junto con fuertes propiedades de aislamiento térmico, podría permitir una producción de energía mucho más eficiente. Esto podría resultar útil para alimentar satélites al aprovechar la diferencia de temperatura entre sus lados iluminados por el sol y sombreados, dice Tang.

Estas aplicaciones siguen siendo especulativas en este punto, dice Dresselhaus, porque se necesita más investigación para analizar propiedades adicionales y, finalmente, probar muestras del material. Este análisis inicial se basó principalmente en el modelado teórico de las propiedades de la película de bismuto-antimonio.

Hasta que se llevó a cabo este análisis, dice Dresselhaus, “nunca pensamos que el bismuto” tuviera el potencial de las propiedades del cono de Dirac. Pero los hallazgos inesperados recientes que involucran una clase de materiales llamados aislantes topológicos sugirieron lo contrario: los experimentos llevados a cabo por un colaborador ucraniano sugirieron que las propiedades del cono de Dirac podrían ser posibles en películas de bismuto-antimonio.

Si bien resulta que las películas delgadas de bismuto-antimonio pueden tener algunas propiedades similares a las del grafeno, cambiar las condiciones también permite realizar una variedad de otras propiedades. Eso abre la posibilidad de diseñar dispositivos electrónicos hechos del mismo material con diferentes propiedades, depositados una capa encima de otra, en lugar de capas de diferentes materiales.

Las propiedades inusuales del material pueden variar de una dirección a otra: los electrones que se mueven en una dirección pueden seguir las leyes de la mecánica clásica, por ejemplo, mientras que los que se mueven en una dirección perpendicular obedecen a la física relativista. Esto podría permitir que los dispositivos prueben la física relativista de una manera más barata y simple que los sistemas existentes, dice Tang, aunque esto queda por demostrar a través de experimentos.

“Nadie ha fabricado todavía ningún dispositivo” a partir del nuevo material, advierte Dresselhaus, pero añade que los principios son claros y que el análisis necesario debería tardar menos de un año en realizarse.

“Cualquier cosa puede pasar, realmente no lo sabemos”, dice Dresselhaus. Dichos detalles quedan por aclarar, dice, y agrega: “Quedan muchos misterios antes de que tengamos un dispositivo real”.

Joseph Heremans, profesor de física de la Universidad Estatal de Ohio que no participó en esta investigación, dice que si bien se conocen algunas propiedades inusuales del bismuto desde hace mucho tiempo, “lo sorprendente es la riqueza del sistema calculado por Tang y Dresselhaus . La belleza de esta predicción se ve reforzada por el hecho de que el sistema es bastante accesible experimentalmente “.

Heremans agrega que en futuras investigaciones sobre las propiedades del material de bismuto-antimonio, “habrá dificultades, y algunas ya se conocen”, pero dice que las propiedades son lo suficientemente interesantes y prometedoras que “este artículo debería estimular un gran esfuerzo experimental . “

El trabajo fue financiado por una subvención de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.

Imagen: Dominick Reuter

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