Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han revelado una técnica de autoensamblaje innovadora para dispositivos electrónicos que promete simplificar la producción de diodos y transistores. Este nuevo método, conocido como Reacción Metal-Ligando Dirigida (D-Met), reduce significativamente la complejidad y los costos asociados con los procesos de fabricación de chips tradicionales.
Martin Thuo, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, enfatizó las ventajas de este enfoque: "La fabricación de chips actual implica numerosos pasos y depende de tecnologías extremadamente complejas, lo que hace que el proceso sea costoso y prolongado. Nuestro método de autoensamblaje es mucho más rápido y económico. También podemos ajustar la banda prohibida de los materiales semiconductores y hacerlos sensibles a la luz, allanando el camino para dispositivos optoelectrónicos."
Thuo señaló que las técnicas de fabricación tradicionales a menudo producen un alto porcentaje de chips defectuosos, lo que genera desperdicio. En contraste, la técnica D-Met cuenta con un alto rendimiento, facilitando una producción consistente y minimizando el desperdicio.
El proceso comienza con partículas de metal líquido, específicamente una aleación de metal de Field compuesta de indio, bismuto y estaño. Los investigadores colocan estas partículas junto a un molde de cualquier tamaño o forma deseada. Se vierte una solución que contiene ligandos—moléculas compuestas de carbono y oxígeno—sobre el metal líquido. Estos ligandos capturan iones de la superficie del metal y los organizan en un patrón geométrico específico mientras la solución fluye hacia el molde.
A medida que la solución llena el molde, los iones portadores de ligandos comienzan a ensamblarse en estructuras tridimensionales complejas. El componente líquido de la solución se evapora, compactando las estructuras en una red cohesiva. Thuo explica: "Sin el molde, estas estructuras pueden formar patrones algo caóticos. Sin embargo, el molde restringe la solución, permitiendo que se formen redes predecibles y simétricas."
Una vez que se alcanza la estructura deseada, se retira el molde y se calienta la red. Este proceso descompone los ligandos, liberando átomos de carbono y oxígeno, que interactúan con los iones metálicos para formar óxidos metálicos semiconductores, mientras que los átomos de carbono crean capas de grafeno. El resultado es una estructura bien ordenada de moléculas de óxido metálico semiconductor envueltas en capas de grafeno.
Julia Chang, autora principal del estudio, agregó: "Las capas de grafeno pueden utilizarse para ajustar la banda prohibida de los semiconductores, haciendo que el semiconductor sea más o menos reactivo según la calidad del grafeno." Además, la inclusión de bismuto permite la creación de estructuras fotoreactivas, lo que permite a los investigadores manipular las propiedades de los semiconductores utilizando luz.
Thuo comentó sobre la escalabilidad de la técnica D-Met, diciendo: "La única limitación es el tamaño del molde utilizado. También podemos controlar las estructuras semiconductoras manipulando el tipo de líquido en la solución, las dimensiones del molde y la tasa de evaporación de la solución."
En resumen, los investigadores demostraron la capacidad de autoensamblar materiales electrónicos altamente estructurados y ajustables para dispositivos funcionales. El siguiente paso será utilizar esta técnica para crear dispositivos más complejos, como chips tridimensionales.
Subtítulo de la ilustración: Los modelos producidos por D-Met son susceptibles de ser utilizados en sistemas microelectromecánicos (MEMS). Crédito de la foto: Julia Chang.