Técnicas avanzadas de imagen en un material semiconductor revelan una "sorprendente" actividad oculta

Los investigadores trabajaron con un material semiconductor, el dióxido de vanadio (VO2), que, según dijeron, tiene un gran potencial como interruptor electrónico. También estudiaron cómo interactúa el dióxido de vanadio con el material de sustrato, el dióxido de titanio, y se sorprendieron al descubrir que parece haber una capa activa en el sustrato que se comporta de forma similar al material semiconductor que tiene encima cuando el semiconductor cambia entre un aislante (no deja fluir la electricidad) y un metal (deja fluir la electricidad). La revelación de que los sustratos pueden desempeñar un papel activo en los procesos semiconductores es significativa para el diseño de futuros materiales y dispositivos, afirmó el director del estudio, Venkatraman Gopalan, catedrático de Ciencia e Ingeniería de los Materiales y de Física en Penn State.

Los ordenadores modernos tienen miles de millones de transistores semiconductores que pueden conmutarse entre dos estados -cero y uno- aplicándoles un voltaje. "Los teléfonos inteligentes y los ordenadores portátiles contienen miles de millones de transistores", explica Roman Engel-Herbert, director del Instituto Paul Drude de Electrónica de Estado Sólido y coautor del estudio en Advanced Materials. "Para procesar información y realizar cálculos tenemos que cambiar entre los dos estados del transistor, y cada cambio requiere energía. El enorme volumen de transistores que se utilizan hoy en día está impulsado por la demanda de más centros de datos, que son los que más energía consumen y los que más rápido crecen. Tenemos que encontrar materiales que puedan conmutar entre los dos estados del transistor de una forma mucho más eficiente desde el punto de vista energético para satisfacer la demanda de dispositivos informáticos más rápidos."

Gopalan añadió: "Una idea que se está persiguiendo son los materiales, como el VO2, que pueden cambiar entre metal (el estado uno) y aislante (el estado cero) en una trillonésima de segundo. Es lo que se conoce como transiciones metal-aislante".

El potencial del VO2 como transistor metal-aislante está bien documentado y el material se considera prometedor para la tecnología de semiconductores debido a su bajo consumo energético, dijo Gopalan. Sin embargo, las propiedades del material aún no se conocen del todo y, hasta ahora, se ha estudiado normalmente de forma aislada en lugar de en funcionamiento en un dispositivo real.

Además, el VO2 presenta fuertes efectos electrónicos correlacionados, lo que significa que la repulsión entre electrones no puede ignorarse como se hace actualmente en la electrónica basada en el silicio. Esta característica puede dar lugar a materiales con funcionalidades novedosas, como la superconductividad a alta temperatura y propiedades magnéticas mejoradas.

"La física subyacente de este material se entiende menos, y su rendimiento en la geometría de un dispositivo se entiende aún menos", afirma Gopalan. "Si conseguimos que funcionen, se producirá un renacimiento de la electrónica. En particular, la informática neuromórfica -en la que los sistemas informáticos se inspiran en el cerebro de sistemas vivos con neuronas- podría beneficiarse seriamente del uso de tales dispositivos."

El equipo diseñó un experimento para investigar el VO2 en la geometría de un dispositivo y no de forma aislada, aplicando un voltaje para hacerlo pasar de su estado aislante a uno conductor. Utilizaron potentes haces de rayos X en la Fuente Avanzada de Fotones (APS) del Laboratorio Nacional de Argonne para estudiar la respuesta estructural de los materiales a nivel atómico con alta resolución espacial y temporal. Al hacer funcionar el dispositivo de VO2 y cartografiar su respuesta espacial y temporal a la conmutación, los investigadores observaron cambios inesperados en la estructura del material y el sustrato.

"Lo que descubrimos fue que cuando la película de VO2 se convierte en metal, todo el canal de la película se abomba, lo cual es muy sorprendente", explica Gopalan. "Normalmente se supone que se encoge. Así que está claro que ocurre algo en la geometría de la película que no habíamos visto antes".

Los rayos X del APS pueden penetrar a través de la película de VO2 y también sondear el sustrato de dióxido de titanio (TiO2) sobre el que se cultivó la película de VO2. Normalmente, el sustrato se considera un material eléctrica y mecánicamente pasivo.

"Para nuestra gran sorpresa, descubrimos que este sustrato es muy activo y reacciona de forma totalmente sorprendente cuando la película pasa de aislante a metálico y viceversa al recibir los impulsos eléctricos", explica Gopalan. "Es como ver la cola moviendo al perro, algo que nos había dejado perplejos durante mucho tiempo. Esta sorprendente observación, que hasta ahora habíamos pasado por alto, cambia por completo nuestra forma de ver esta tecnología."

Para comprender estos hallazgos, el equipo de teoría y simulación -dirigido por Long-Qing Chen, catedrático Hamer de Ciencia e Ingeniería de Materiales, profesor de Ciencia de la Ingeniería y Mecánica y de Matemáticas en Penn State- desarrolló un marco teórico para explicar todo el proceso de abombamiento de la película y el sustrato en lugar de su contracción. Cuando su modelo incorporó los átomos de oxígeno que faltan de forma natural en este material de dos tipos, cargados y no cargados, los resultados experimentales pudieron explicarse satisfactoriamente.

"Estas vacantes neutras de oxígeno tienen una carga de dos electrones, que pueden liberar cuando el material pasa de aislante a metal", explica Gopalan. "La vacante de oxígeno que queda ahora está cargada y el cristal se hincha, lo que provoca el sorprendente abombamiento observado en el dispositivo. Esta respuesta también puede darse en el sustrato. Todos estos procesos físicos quedan perfectamente reflejados en la teoría de campo de fases y el modelado realizado en este trabajo por primera vez por el postdoctorando Yin Shi en el grupo del profesor Chen".

Gopalan y Engel-Herbert atribuyeron la nueva comprensión a la experiencia combinada del equipo multidisciplinar en crecimiento de materiales, síntesis, análisis de estructuras y funcionamiento de la línea de luz del sincrotrón. Mediante un enfoque colaborativo dirigido por Greg Stone, principal autor experimental, y Yin Chi, principal autor teórico, los investigadores desentrañaron las respuestas del material y las observaron individualmente utilizando simulaciones de campo de fase, una simulación que ayuda a los científicos a comprender los cambios materiales a lo largo del tiempo representando diversos estados de la materia en un entorno virtual.

"Al reunir a estos expertos y poner en común nuestra comprensión del problema, pudimos ir mucho más allá de nuestros conocimientos individuales y descubrir algo nuevo", afirma Engel-Herbert, cuyo grupo cultivó estas películas junto con el grupo de Darrell Schlom en Cornell. "Reconocer el potencial de los materiales funcionales exige apreciar su contexto más amplio, del mismo modo que los retos científicos complejos sólo pueden resolverse ampliando nuestras perspectivas individuales".

Según los investigadores, las respuestas en sí requieren más investigación, pero creen que comprenderlas ayudará a identificar capacidades del VO2 desconocidas hasta ahora, incluidos posibles fenómenos aún por descubrir en el sustrato de TiO2 que se consideraba pasivo antes de este estudio. El estudio en sí se desarrolló a lo largo de 10 años, señaló Gopalan, incluida la validación de los resultados.

"Esto es lo que se necesita para pasar de la ciencia interesante a un dispositivo que se puede tener en la palma de la mano", dijo Gopalan. "Los experimentos y la teoría son complejos y requieren equipos de colaboración a gran escala que trabajen estrechamente durante un largo periodo de tiempo para resolver problemas difíciles que podrían tener una gran repercusión. Esperamos y deseamos que esto acelere el avance hacia una nueva generación de dispositivos electrónicos."

Junto con Gopalan y Engel-Herbert, otros autores del trabajo son Yin Shi, becario posdoctoral; Matthew Jerry, estudiante de posgrado; Vladimir Stoica, profesor asociado de investigación, y Long-Qing Chen, profesor distinguido, todos ellos de Penn State; Hanjong Paik y Darrell G. Schlom, de la Universidad de Cornell; Zhonghou Cai y Haidan Wen, del Laboratorio Nacional Argonne, y Suman Datta, del Instituto de Tecnología de Georgia. El Departamento de Energía de EE.UU. financió principalmente este trabajo. El crecimiento de la película fue financiado por la National Science Foundation.