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Por un lado, aunque el silicio permite que los electrones pasen fácilmente a través de su estructura, es mucho menos adaptable a los «agujeros», las contrapartes cargadas positivamente de los electrones, y explotar ambos es importante para ciertos tipos de chips. Además, el silicio no es muy bueno para conducir el calor, razón por la cual los problemas de sobrecalentamiento y los costosos sistemas de enfriamiento son comunes en las computadoras.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT, la Universidad de Houston y otras instituciones han realizado experimentos que muestran que un material conocido como arseniuro de boro cúbico supera ambas limitaciones. Ofrece alta movilidad a electrones y huecos y tiene una excelente conductividad térmica. Es, según los investigadores, el mejor material semiconductor jamás encontrado, y quizás el mejor posible.
Hasta ahora, el arseniuro de boro cúbico solo se ha fabricado y probado en lotes pequeños y no uniformes a escala de laboratorio. Los investigadores tuvieron que usar métodos especiales desarrollados originalmente por el ex postdoctorado del MIT Bai Song para probar pequeñas regiones en el material. Será necesario seguir trabajando para determinar si el arseniuro de boro cúbico se puede fabricar de una forma práctica y económica, y mucho menos para reemplazar el omnipresente silicio. Pero incluso en un futuro cercano, el material podría encontrar usos en los que sus propiedades únicas marcarían una diferencia significativa, dicen los investigadores.
Los resultados se publican hoy en la revista La ciencia, 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 otros 14 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; trabajos posteriores demostraron experimentalmente esta predicción. Este último trabajo completa el análisis al confirmar experimentalmente una predicción realizada por el grupo de Chen en 2018: que el arseniuro de boro cúbico también tendría una movilidad muy alta para electrones y huecos, «lo que hace que este material sea verdaderamente único», explica Chen.
Experimentos anteriores han demostrado que la conductividad térmica del arseniuro de boro cúbico es casi 10 veces mayor que la del silicio. «Así que es muy interesante solo para la disipación de calor», dice Chen. También demostraron que el material tiene una banda prohibida muy buena, una propiedad que le otorga un gran potencial como material semiconductor.
Ahora, el nuevo trabajo completa el cuadro y muestra que, junto con su alta movilidad de electrones y huecos, el arseniuro de boro tiene todas las cualidades clave necesarias para un semiconductor ideal. “Es importante porque, por supuesto, en los semiconductores tenemos cargas positivas y negativas equivalentes. Entonces, si está construyendo un dispositivo, quiere tener un material donde los electrones y los agujeros se muevan con menos resistencia”, dice Chen.
El silicio tiene buena movilidad de electrones pero poca movilidad de huecos, y otros materiales como el arseniuro de galio, ampliamente utilizado para láseres, también tienen buena movilidad de electrones pero no de huecos.
«El calor es ahora un cuello de botella importante para muchos dispositivos electrónicos», dice Shin, el autor principal del artículo. «El carburo de silicio está reemplazando al silicio para la electrónica de potencia en las principales industrias de vehículos eléctricos, incluida Tesla, porque tiene tres veces la conductividad térmica del silicio a pesar de sus movilidades eléctricas más bajas. Imagínese lo que pueden lograr los arseniuros de boro, con una conductividad térmica 10 veces mayor y mucho más mayor movilidad que el silicio.
Shin agrega: «El paso crítico que hace posible este descubrimiento es el progreso de los sistemas de conjuntos de láser ultrarrápidos en el MIT», desarrollado originalmente por Song. Sin esta técnica, dice, no habría sido posible demostrar la alta movilidad del material para electrones y huecos.
Las propiedades electrónicas del arseniuro de boro cúbico se predijeron originalmente en base a los cálculos de la función de densidad mecánica cuántica realizados por el grupo de Chen, dice, y estas predicciones ahora han sido validadas por experimentos realizados en el MIT, utilizando métodos de detección óptica en muestras realizadas por Ren y su equipo. miembros de la Universidad de Houston.
La conductividad térmica del material no solo es la mejor de cualquier semiconductor, sino que, según los investigadores, tiene la tercera mejor conductividad térmica de cualquier material, después del diamante y el nitruro de boro cúbico enriquecido con isótopos. «Y ahora hemos predicho el comportamiento de la mecánica cuántica de los electrones y los huecos, también a partir de los primeros principios, y también se ha demostrado que eso es cierto», dijo Chen.
«Es impresionante, porque en realidad no conozco ningún otro material, además del grafeno, que tenga todas estas propiedades», dice. «Y es un material a granel que tiene esas propiedades».
El desafío ahora, dice, es encontrar formas prácticas de hacer este material en cantidades utilizables. Los métodos de fabricación actuales producen material altamente no uniforme, por lo que el equipo tuvo que encontrar formas de probar solo pequeños parches locales del material que fueran lo suficientemente uniformes para proporcionar datos confiables. Aunque demostraron el gran potencial del material, «no sabemos si realmente se usará ni dónde», dice Chen.
«El silicio es el caballo de batalla de toda la industria», dice Chen. «Entonces, está bien, tenemos un material que es mejor, pero ¿realmente compensará a la industria? No sabemos. Aunque el material parece ser casi un semiconductor ideal, «si realmente puede entrar en un dispositivo y reemplazar algunos del mercado actual, creo que eso aún no se ha probado».
Y aunque las propiedades térmicas y eléctricas han demostrado ser excelentes, hay muchas otras propiedades de un material que aún no se han probado, como su estabilidad a largo plazo, dice Chen. «Para fabricar dispositivos, hay muchos otros factores que aún no conocemos».
Agrega: «Potencialmente podría ser muy importante, y la gente ni siquiera ha prestado atención a ese 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 Ren, “un gran desafío sería cómo producir y purificar arseniuro de boro cúbico de manera tan eficiente como el silicio. …El silicio tardó décadas en reclamar la corona, con una pureza de más del 99,99999999 %, o “10 nueves” para la producción en masa actual.
Para que esto sea práctico en el mercado, dice Chen, «realmente se necesita más gente para desarrollar diferentes formas de hacer mejores materiales y caracterizarlos». Queda por ver si la financiación necesaria para tal desarrollo estará disponible, dice.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos y utilizó instalaciones en las Instalaciones Experimentales Compartidas MRSEC del MIT, apoyadas por la Fundación Nacional de Ciencias.
