Científicos de materiales de la Universidad Rice han desarrollado una técnica innovadora que explota las propiedades de un cristal semiconductor para crear patrones nanométricos sobre materiales duros utilizados en dispositivos electrónicos, todo ello a temperatura ambiente, según un estudio publicado en Nature Communications.

El método utiliza trióxido de molibdeno alfa, un cristal semiconductor cuya estructura atómica exhibe una propiedad llamada anisotropía, lo que significa que se comporta de manera diferente dependiendo de la dirección dentro del material, según explicó Hae Yeon Lee, profesora asistente de ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice y autora correspondiente del estudio. Cuando se expone a un haz de electrones, el material se deforma creando un patrón de ondulaciones a nanoescala.

El equipo de investigación colocó una capa del cristal anisotrópico sobre sílice y lo irradió con un haz de electrones. Esto provocó que el trióxido de molibdeno alfa se combara bajo el estrés, mientras simultáneamente ablandaba la sílice subyacente. "Bajo un haz de electrones, el enlace atómico en la sílice puede reorganizarse, por lo que el material puede deformarse lentamente incluso a temperatura ambiente", dijo Lee. "El desafío es que la sílice no se deforma por sí sola bajo el haz, también necesita una fuente de estrés. Nuestra idea fue usar el trióxido de molibdeno alfa como fuente de estrés".

La exposición al haz de electrones generó un estrés direccional que resultó en un patrón organizado, con filas de ondulaciones uniformemente espaciadas que se alineaban con la estructura interna del cristal. "En este trabajo, traducimos la anisotropía a escala atómica en arrugas a escala de cientos de nanómetros", explicó Lee.

Las ondulaciones son mucho más pequeñas que el ancho de un cabello humano y pueden doblar y dividir la luz, de manera similar a como las ranuras en un CD crean colores del arcoíris, según los investigadores. Esto las hace útiles como rejillas ópticas, estructuras que guían la luz en un chip.

Los materiales duros tienden a agrietarse o formar defectos aleatorios en respuesta al patrón basado en estrés mecánico. Por ello, aunque las técnicas de patrón basadas en arrugas pueden producir estructuras a nanoescala sin la fabricación compleja involucrada en la fabricación estándar de chips, su uso generalmente se consideraba que requería sustratos blandos y elásticos.

El trabajo del equipo de Rice demuestra una nueva forma de implementar el patrón basado en arrugas sobre materiales aislantes rígidos. Además, los patrones pueden ajustarse cambiando el grosor de la capa anisotrópica o la intensidad del haz de electrones.

"Este trabajo es útil porque los métodos convencionales para hacer patrones nanométricos similares a arrugas a menudo requieren muchos pasos de fabricación, alto costo y procesamiento químico que puede dejar residuos en la superficie del chip", dijo Lee. "Con nuestro método, las arrugas se crean en un simple paso a temperatura ambiente".

Después de lograr el patrón, la capa de trióxido de molibdeno alfa puede simplemente despegarse de la sílice, según los investigadores. El equipo observó efectos similares en otros materiales aislantes comunes, incluyendo óxido de aluminio y nitruro de silicio, lo que sugiere que el método podría funcionar ampliamente en materiales ya utilizados en la fabricación de semiconductores.

La capacidad de crear estructuras ópticas directamente sobre materiales estándar de chips podría ofrecer una ruta más simple hacia la integración de tecnologías basadas en luz en dispositivos futuros, facilitando el avance de chips que transmiten tanto señales electrónicas como basadas en luz.

La investigación fue respaldada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE.UU., la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU., el Instituto de Materiales Avanzados de Rice, la Fundación Welch, la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia y la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón, según el estudio. Los autores del trabajo incluyen a Yifeng Liu, Zhengjie Huang, Xinyan Li, Chen-yang Lin, Aryan Chugh, Tian Lang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Jun Lou, Yanfei Gao, Yimo Han, Xuedan Ma y Hae Yeon Lee.

El método representa un avance significativo en la simplificación de procesos de fabricación de semiconductores, eliminando la necesidad de múltiples pasos de fabricación, altas temperaturas y procesamiento químico que caracterizan los métodos convencionales. La técnica podría tener implicaciones importantes para la producción de dispositivos fotónicos y optoelectrónicos de próxima generación, que combinan funciones electrónicas y ópticas en un mismo chip.