Nueva técnica detecta defectos ocultos en materiales ultrafinos para mejorar la confiabilidad de dispositivos electrónicos

Los dispositivos electrónicos del futuro dependerán cada vez más de componentes a escala atómica, donde incluso el defecto más pequeño puede determinar si un dispositivo funciona o falla. Un equipo de científicos de la Universidad Rice ha demostrado que defectos difíciles de detectar en el nitruro de boro hexagonal (hBN), un material aislante bidimensional de uso común, pueden atrapar cargas eléctricas y debilitar localmente el material, haciéndolo más propenso a fallar a voltajes inferiores, según un estudio publicado en Nano Letters.

"Al mostrar formas prácticas de detectar cuándo y dónde se forman estos defectos, ayudamos a hacer que los dispositivos futuros sean más confiables y repetibles", dijo Hae Yeon Lee, profesora asistente de ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice y autora correspondiente del estudio, según informó la universidad.

La construcción de electrónica ultrafina, como transistores avanzados, fotodetectores y dispositivos cuánticos, implica apilar láminas de diferentes materiales bidimensionales una sobre otra en estructuras llamadas "heteroestructuras". El nitruro de boro hexagonal, valorado por ser atómicamente plano y químicamente estable, es un componente básico común en estas construcciones.

"La resistencia, el color y los comportamientos eléctricos de un material provienen de la forma en que sus átomos están dispuestos", explicó Lee. "Sin embargo, los materiales reales no son perfectos. En el hBN, encontramos que pueden ocurrir desalineaciones largas y estrechas, similares a los pliegues que se forman cuando algunas páginas de un libro se han deslizado. Estos defectos ocultos se forman fácilmente y son igual de fáciles de pasar por alto", según la investigadora.

Los investigadores desprendieron láminas delgadas de hBN de un cristal masivo usando cinta adhesiva, luego las transfirieron a obleas de silicio y dióxido de silicio. Sospechaban que esta manipulación rutinaria podría doblar las láminas, causando defectos llamados fallas de apilamiento.

"Para probar esto, tomamos imágenes de las mismas láminas de hBN antes y después de la transferencia", dijo Lee. Bajo un microscopio óptico regular o de fuerza atómica, las láminas parecían lisas y prístinas. A continuación, en la Autoridad de Equipo Compartido de Rice, examinaron las muestras usando espectroscopia de catodoluminiscencia, una técnica que escanea un material con un haz de electrones y registra la luz que emite.

"El hBN emite luz ultravioleta profunda que muchos laboratorios no pueden excitar fácilmente", explicó Lee. "Este mapa de emisión reveló fallas de apilamiento brillantes y estrechas que otros métodos pasan por alto, una razón por la que han sido ignoradas", según la científica.

Las fallas se forman más fácilmente en láminas más gruesas. Además, el cambio en la estructura causa un cambio en el rendimiento del material. "Estos defectos ocultos actúan como pequeños bolsillos de carga y debilitan el aislamiento: el mismo hBN puede comenzar a filtrar electricidad a un voltaje mucho más bajo a lo largo de los defectos que en áreas cercanas", dijo Lee.

Esto significa que dos dispositivos construidos de la misma manera pueden comportarse de manera diferente si uno contiene estas líneas de falla. Al combinar microscopía electrónica, mapeo de catodoluminiscencia y mediciones basadas en fuerza, el equipo desarrolló una forma práctica de detectar estos defectos antes de que socaven un dispositivo. El enfoque también puede aplicarse a otros materiales en capas, según el estudio.

La investigación fue respaldada por la Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos (W911NF-25-1-0265), la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (KAKENHI 21H05233 y 23H02052), la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón (JPMJCR24A5), la Iniciativa Mundial de Centros de Investigación Premier Internacional de Japón y la Beca MEXT de Japón. Los autores del estudio son Tian Lang, Yifeng Liu, Aryan Chugh, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi y Hae Yeon Lee.

El hallazgo tiene implicaciones significativas para la industria de semiconductores y la fabricación de dispositivos electrónicos avanzados. A medida que los componentes electrónicos continúan reduciéndose a escalas nanométricas, la capacidad de identificar y evitar estos defectos estructurales antes de la fabricación podría mejorar sustancialmente las tasas de éxito en la producción y la confiabilidad de los dispositivos finales. La técnica de detección desarrollada por el equipo de Rice ofrece una herramienta de control de calidad que podría integrarse en los procesos de fabricación de electrónica bidimensional, permitiendo a los fabricantes descartar materiales defectuosos antes de invertir en el costoso proceso de construcción de dispositivos completos.