Los modelos 3D de nivel atómico nos muestran cómo funcionan los dispositivos

Aunque la nanotecnología y la ciencia de los materiales son temas complicados para la mayoría de nosotros, la investigación en estos campos es de gran importancia para casi todos. Sus dispositivos digitales, por ejemplo, dependen completamente de él.

Hoy en día, toda la microelectrónica depende de los semiconductores. Estos son materiales que no son muy buenos para conducir electricidad. Pero puede agregarles pequeñas cantidades de otras sustancias, un proceso conocido como dopaje. Esto mejora el rendimiento de los semiconductores, por lo que no son tan malos después de todo.

«En el pasado, dopamos semiconductores y vimos que esto cambiaba drásticamente las propiedades eléctricas del material», dice Ph.D. candidato Kasper Aas Hunnestad en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de NTNU.

Todo esto está muy bien. Es agradable cuando algo funciona. Pero más allá del hecho de que funciona, no siempre hemos entendido mucho por qué funciona. Esto es especialmente cierto a nivel atómico.

«Ahora, sabemos mucho mejor cómo podemos obtener imágenes de los átomos agregados individuales, que antes solían ser casi imposibles de encontrar. Esto nos brinda una nueva perspectiva y nos permite comprender cómo afectan las propiedades de ese material», dice Hunnestad.

Por qué ‘saber por qué’ también es importante

¿Y qué? ¿Por qué diablos deberíamos preocuparnos por los átomos individuales y por qué algo funciona? ¿No es lo suficientemente bueno saber que funciona? Si este fuera el caso, los físicos y los químicos sin duda se divertirían haciendo la investigación, pero el resto de nosotros no nos beneficiaríamos mucho.

«Solo cuando sabes más sobre cómo funciona algo, puedes manipular el material y optimizarlo», dice Dennis Meier. Es profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de NTNU, quien dirigió el proyecto.

De esta forma, por ejemplo, se pueden fabricar materiales más eficientes, respetuosos con el medio ambiente o más económicos para el trabajo a realizar. O puede asignar nuevas propiedades a un material que ya tiene disponible con mucha mayor precisión. Esto también es clave para desarrollar futuros materiales para tecnología sostenible.

«A menudo, queremos introducir nuevas funcionalidades a los materiales. Para eso, necesitamos saber exactamente qué papel juega cada átomo individual», dice Meier.

Las técnicas de imagen avanzadas hacen posible

Hunnestad y sus colegas presentan los resultados de muchas, muchas horas de trabajo utilizando «tomografía de sonda atómica» (APT) en un artículo reciente en Comunicaciones de la naturaleza.

APT es una pieza avanzada de equipo de última generación que NTNU adquirió hace algunos años. La máquina puede proporcionar una representación tridimensional del aspecto de un material, hasta el nivel atómico, explica Constantinos Hatzoglou. Es ingeniero senior en el laboratorio APT del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

Hunnestad y sus colegas utilizaron esta excelente capacidad para estudiar un nuevo tipo de semiconductor basado en óxido al que se han agregado cantidades muy pequeñas de una sustancia para adaptar sus propiedades.

«Las técnicas de microscopía convencionales no nos permitieron observar cómo se posicionaban pequeñas cantidades de aditivos en los semiconductores», dice Hunnestad. Los nuevos resultados muestran que la inversión en los mejores equipos técnicos, como esta máquina APT, vale la pena enormemente y hace posible una investigación innovadora.

Muestra el enorme potencial

La investigación tampoco es exactamente fácil usando APT. Pero al reunir a colegas con diferentes antecedentes experimentales y teóricos, junto con un trabajo arduo e inspirado, el equipo de NTNU ha encontrado soluciones.

«Este no es solo un logro maravilloso. También muestra el enorme potencial de la técnica APT para campos de investigación donde no se ha aplicado antes. Muestra las oportunidades únicas que tenemos gracias a la infraestructura moderna disponible en NanoLab y TEM Gemini de NTNU. Centro», dice Meier.

Hunnestad ha trabajado con APT durante unos tres años. Ha llevado a cabo extensas mediciones de microscopía correlacionada, apoyado por Antonius van Helvoort y Per Erik Vullum. Van Helvoord es profesor en el Departamento de Física de NTNU y experto en microscopía electrónica de alta resolución, mientras que Vullum es profesor II en NTNU, Departamento de Física e investigador principal en SINTEF Industry.

Hunnestad y Meier están entusiasmados con todas las fascinantes posibilidades que ya han surgido de su investigación basada en APT y las nuevas perspectivas para la caracterización de materiales funcionales a escala atómica.

Imágenes de átomos de titanio individuales mezclados en un semiconductor

Para su artículo reciente, el grupo de investigación analizó el semiconductor basado en óxido Er (Mn, Ti) O₃. Para ello, sus colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de EE. UU. añadieron diminutas cantidades del elemento titanio (Ti) al manganato de erbio (ErMnO3).

«Con la sonda atómica, podemos obtener una representación tridimensional de cómo se colocan los átomos de titanio en el semiconductor», dice Meier. «Esto nos permite vincular las nuevas propiedades eléctricas del material hasta los átomos individuales».

El Dr. Muhammad Zeeshan Khalid es miembro del equipo encabezado por Sverre Selbach, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la NTNU. Complementó los experimentos con cálculos. Estos cálculos proporcionan una mayor comprensión de los efectos que los átomos individuales pueden tener sobre las propiedades físicas.

Una de las ventajas de lo que han hecho los investigadores es que también pueden usar el método en muchas otras sustancias. No se limita solo a las sustancias con las que ha experimentado el equipo de investigación de NTNU.

«Los procedimientos y los resultados son de gran interés. Pueden ampliar nuestra comprensión de los semiconductores basados ​​en óxido y los materiales funcionales en general. La investigación abre puertas completamente nuevas», dice Meier.

El enfoque cooperativo fortalece la investigación

Muchas personas de diferentes departamentos de la NTNU contribuyeron a hacer posible este avance científico. SINTEF, el Consejo de Investigación de Noruega, la Instalación Noruega de Micro y Nanofabricación (NorFab), el Laboratorio Noruego de Caracterización de Minerales y Materiales (MiMaC), el Centro Noruego de Microscopía Electrónica de Transmisión (NORTEM) y NTNU Nano apoyaron el trabajo.

Los investigadores señalan que este esfuerzo colaborativo muestra muy bien la fuerza de la investigación interdisciplinaria. Muestra lo que se puede lograr con una infraestructura sólida de vanguardia.

Los detalles de cómo Hunnestad logró resultados tan sobresalientes probablemente no sean fáciles de digerir para la mayoría de nosotros. Pero el enlace al artículo de investigación a continuación le dará algo para masticar si quiere profundizar.