En el dinámico mundo de la tecnología, donde la innovación es una carrera constante hacia la eficiencia y la sostenibilidad, una nueva investigación de la Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) y la UC Berkeley está llevando a una nueva frontera el desarrollo de semiconductores con la creación de un nuevo material que podrían permitir la fabricación ecológica y con bajas emisiones de carbono de microelectrónica de última generación
Los semiconductores son esenciales en dispositivos electrónicos, desde computadoras hasta la iluminación LED. Sin embargo, su fabricación, que implica transformar arena (óxido de silicio) en materiales semiconductores, requiere temperaturas extremadamente altas, alrededor de 1500ºC. Además, el proceso de purificación y ensamblaje es prolongado, lo que representa una importante fuente de emisiones de carbono.
En este contexto, los investigadores del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) y la UC Berkeley han desarrollado un material semiconductivo denominado o «tinta multielemento» representa un cambio radical en la fabricación de semiconductores. Se trata del primer semiconductor de «alta entropía» que puede procesarse a baja temperatura o temperatura ambiente, allanado el camino hacia una industria de semiconductores más sostenible.
Uniendo dos familias únicas de materiales
Este avance combina dos familias únicas de materiales semiconductores: aleaciones duras hechas de semiconductores de alta entropía y un material blando y flexible compuesto de perovskitas haluros cristalinas.
Los materiales de alta entropía son sólidos hechos de cinco o más elementos químicos diferentes que se autoensamblan en proporciones casi iguales en un solo sistema. Durante muchos años, los investigadores han querido utilizar materiales de alta entropía para desarrollar materiales semiconductores que se autoensamblan con un aporte de energía mínimo.
«Pero los semiconductores de alta entropía no se han estudiado casi en la misma medida. Nuestro trabajo podría ayudar a llenar significativamente esa brecha de comprensión», explica Yuxin Jiang, coautor y estudiante investigador graduado en el grupo Peidong Yang de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley y el departamento de química de la UC Berkeley.
Aunque los materiales convencionales de aleación de alta entropía requieren mucha menos energía que el silicio para procesarse para la fabricación, todavía exigen temperaturas muy altas de más de 1000ºC. Ampliar los materiales de alta entropía para la fabricación a escala industrial es un desafío debido a este enorme aporte de energía.
Para superar este obstáculo, Yang y su equipo aprovecharon las cualidades únicas de un material solar bien estudiado que ha intrigado a los investigadores durante muchos años: las perovskitas de haluro. Las perovskitas se procesan fácilmente a partir de la solución a baja temperatura, desde la temperatura ambiente hasta alrededor de 150ºC. Estas temperaturas de procesamiento más bajas podrían algún día reducir drásticamente los costos de energía para los fabricantes de semiconductores.
Para el nuevo estudio, Yang y su equipo aprovecharon este menor requisito de energía para sintetizar cristales individuales de persovskita de haluro de alta entropía a partir de una solución en condiciones de temperatura ambiente o de baja temperatura (80ºC).
Los experimentos confirmaron que los cristales obtenidos son cristales únicos de perovskita haluro de alta entropía, con tamaños que varían entre 30 y 100 micrómetros. Esta técnica de baja temperatura produce semiconductores de cristal único en cuestión de horas, mucho más rápido que las técnicas convencionales.
Aplicaciones y Futuro
La «tinta multielemento» tiene numerosas aplicaciones potenciales, como LEDs de color ajustable, dispositivos de iluminación de estado sólido, termoeléctricos para recuperación de calor residual y componentes programables en dispositivos de computación óptica. Además, su estabilidad en aire ambiente durante al menos seis meses es un avance notable para los perovskitas haluros, históricamente desafiantes en términos de estabilidad.
A continuación, los investigadores planean seguir diseñando materiales semiconductores sostenibles para aplicación de iluminación y visualización en estado sólido.
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