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| Los cristales del material nitruro de boro hexagonal pueden grabarse de forma que el patrón que se dibuja en la parte superior se transforme en una versión más pequeña y afilada en la parte inferior. Estas perforaciones pueden utilizarse como máscara de sombra para dibujar componentes y circuitos en grafeno. Este proceso permite una precisión que es imposible incluso con las mejores técnicas litográficas actuales. A la derecha, imágenes de perforaciones triangulares y cuadradas tomadas con un microscopio electrónico. Ilustración: Peter Bøggild, Lene Gammelgaard y Dorte Danielsen. |
Los investigadores de la DTU y de Graphene Flagship han llevado el arte de modelar nanomateriales al siguiente nivel. El patronaje preciso de materiales bidimensionales es una vía para la computación y el almacenamiento con materiales bidimensionales, que pueden ofrecer un mejor rendimiento y un consumo de energía mucho menor que la tecnología actual.
Uno de los descubrimientos recientes más importantes dentro de la física y la tecnología de materiales son los materiales bidimensionales como el grafeno. El grafeno es más fuerte, más suave, más ligero y conduce mejor el calor y la electricidad que cualquier otro material conocido.
Su característica más singular es quizá su capacidad de programación. Creando delicados patrones en estos materiales, podemos cambiar sus propiedades de forma drástica y, posiblemente, fabricar precisamente lo que necesitamos.
En la DTU, los científicos llevan más de una década trabajando en la mejora del estado del arte en la creación de patrones en materiales 2D, utilizando sofisticadas máquinas de litografía en las instalaciones de la sala blanca de 1500 m2. Su trabajo se basa en el Centro de Grafeno Nanoestructurado de la DTU, que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Investigación de Dinamarca y forma parte del proyecto insignia del grafeno.
El sistema de litografía por haz de electrones del DTU Nanolab puede escribir detalles de hasta 10 nanómetros. Los cálculos informáticos pueden predecir con exactitud la forma y el tamaño de los patrones en el grafeno para crear nuevos tipos de electrónica. Pueden aprovechar la carga del electrón y las propiedades cuánticas, como los grados de libertad de espín o de valle, lo que permite realizar cálculos de alta velocidad con un consumo de energía mucho menor. Estos cálculos, sin embargo, exigen una resolución mayor de la que pueden ofrecer incluso los mejores sistemas de litografía: la resolución atómica.
"Si realmente queremos abrir el cofre del tesoro de la futura electrónica cuántica, tenemos que ir por debajo de los 10 nanómetros y acercarnos a la escala atómica", afirma el profesor y jefe de grupo de la DTU Physics, Peter Bøggild.
Y eso es exactamente lo que han conseguido los investigadores.
"En 2019 demostramos que los agujeros circulares colocados con una separación de tan solo 12 nanómetros convierten el grafeno semimetálico en un semiconductor. Ahora sabemos cómo crear agujeros circulares y otras formas, como triángulos, con esquinas afiladas nanométricas. Estos patrones pueden clasificar los electrones en función de su espín y crear componentes esenciales para la espintrónica o la valletrónica. La técnica también funciona en otros materiales 2D. Con estas estructuras superpequeñas, podemos crear metalentes muy compactos y eléctricamente sintonizables que se utilizarán en la comunicación de alta velocidad y la biotecnología", explica Peter Bøggild.
Triángulo afilado
La investigación fue dirigida por la postdoc Lene Gammelgaard, una ingeniera graduada en DTU en 2013 que desde entonces ha desempeñado un papel vital en la exploración experimental de materiales 2D en DTU:
"El truco consiste en colocar el nanomaterial de nitruro de boro hexagonal sobre el material que se quiere modelar. A continuación, se hacen agujeros con una receta de grabado particular", dice Lene Gammelgaard, y continúa:
"El proceso de grabado que hemos desarrollado en los últimos años reduce el tamaño de los patrones por debajo del límite de nuestros sistemas de litografía por haz de electrones, que de otro modo sería irrompible, de aproximadamente 10 nanómetros. Supongamos que hacemos un agujero circular con un diámetro de 20 nanómetros; el agujero en el grafeno puede reducirse a 10 nanómetros. Mientras que si hacemos un agujero triangular, con los agujeros redondos procedentes del sistema de litografía, la reducción de tamaño hará un triángulo más pequeño con esquinas autoafiladas. Normalmente, los patrones se vuelven más imperfectos cuando se hacen más pequeños. Esto es lo contrario, y nos permite recrear las estructuras que las predicciones teóricas nos dicen que son óptimas".
Se pueden producir, por ejemplo, metalentes electrónicos planos, una especie de lentes ópticas supercompactas que pueden controlarse eléctricamente a frecuencias muy altas y que, según Lene Gammelgaard, pueden convertirse en componentes esenciales para la tecnología de la comunicación y la biotecnología del futuro.
Superando los límites
La otra persona clave es una joven estudiante, Dorte Danielsen. Se interesó por la nanofísica después de unas prácticas en el 9º curso en 2012, ganó un puesto en la final de un concurso nacional de ciencias para estudiantes de secundaria en 2014 y cursó estudios de Física y Nanotecnología en el marco del programa de honores de la DTU para estudiantes de élite.
Explica que el mecanismo que se esconde tras las estructuras de "superresolución" aún no se conoce bien:
"Tenemos varias explicaciones posibles para este inesperado comportamiento de grabado, pero todavía hay mucho que no entendemos. Aun así, es una técnica apasionante y muy útil para nosotros. Al mismo tiempo, es una buena noticia para los miles de investigadores de todo el mundo que están tratando de alcanzar los límites de la nanoelectrónica y la nanofotónica 2D".
Con el apoyo del Fondo de Investigación Independiente de Dinamarca, dentro del proyecto METATUNE, Dorte Danielsen continuará su trabajo sobre nanoestructuras extremadamente afiladas. En este caso, la tecnología que ella ayudó a desarrollar se utilizará para crear y explorar metalentes ópticos que puedan ser sintonizados eléctricamente.
Fuentes, créditos y referencias:
Super-Resolution Nanolithography of Two-Dimensional Materials by Anisotropic Etching. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021; 13 (35): 41886 DOI: 10.1021/acsami.1c09923