Los ordenadores actuarán y funcionarán de forma muy diferente para 2032. Estas diferencias revolucionarán la eficiencia, el tamaño y la velocidad de estos dispositivos. Llegar allí es un camino largo.
Deep Jariwala, Ph.D., es profesor adjunto de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas en el Laboratorio de Investigación e Ingeniería de Dispositivos de la Universidad de Pensilvania. El laboratorio se centra en el estudio, diseño y desarrollo de dispositivos, materiales e interfaces a escala nanométrica y atómica para aplicaciones en informática, sensores, tecnología de la información y energías renovables.
Su papel ha evolucionado a lo largo de los años.
"Soy ingeniero de materiales de formación y luego me he ido aventurando poco a poco en la física aplicada y después en la ingeniería eléctrica y la investigación de dispositivos", dijo. "Soy agnóstico en cuanto a materiales. Así que me gusta investigar cualquier material interesante a escala nanométrica que aparezca en el horizonte de la investigación."
Gran parte de estos materiales a nanoescala tienen características incrustadas en su interior o son dimensiones que alcanzan entre uno y unos pocos cientos de nanómetros. Así que investigar la estructura local, atómica, electrónica, propiedades ópticas y vibracionales le resulta bastante interesante. Y estos materiales también son importantes para nuestros dispositivos.
A estas alturas es bastante conocido que la microscopía de fuerza atómica con dispersión Raman mejorada por punta (AFM Raman/ TERS) es la técnica más fácil y versátil que nos permite visualizar estructuras a escala nanométrica en pocos minutos.
Es incluso más potente que la microscopía electrónica en cierto aspecto, especialmente si intentas obtener imágenes de algo en una superficie. AFM Raman/ TERS también ha evolucionado hasta el punto de ayudar a visualizar propiedades ópticas locales. Tendemos a usar una combinación de todas estas técnicas para integrar todo tipo de nanomateriales, empezando por puntos cuánticos, que se sintetizan polarmente en nanotubos de carbono y luego a materiales bidimensionales (Materiales 2D).
"Un área de investigación en la que usamos AFM Raman/ TERS intensamente es la investigación de los materiales 2D y sus heterojunciones dentro de ellos", afirmó. "Una de las razones por las que queremos investigar eso es que los materiales 2D son extremadamente prometedores. Están preparados para ser los semiconductores del futuro que impulsan nuestra microelectrónica y otras cosas."
Pero uno de los retos con estos materiales es que, al ser tan finos, de vez en cuando presentan muchas inhomogeneidades. Podría haber defectos en ciertas regiones, que están oxidados o derivan de otros defectos. Observar esas regiones, que son dimensionales a escala nanométrica, es bastante importante. Los defectos, en particular, tienen propiedades ópticas diferentes y también distintas propiedades vibracionales. Así que, si usaras TERS o la fotoluminiscencia potenciada por punta (PL) para sondear estos materiales, se hace visible.
"Podrías ver cuán localizados o deslocalizados están espacialmente los defectos. ¿Cuál es la densidad de defectos? También puedes hacer otras cosas interesantes, como hacer interfaces de estos semiconductores con metal y analizar qué tan buenas son estas interfaces. Como muchos sabemos en la microelectrónica moderna de semiconductores, la interfaz entre el metal y el semiconductor es una de las más difíciles de optimizar y es la fuente de la mayoría de las pérdidas. Esta interfaz aún no ha sido optimizada para semiconductores bidimensionales. Así que, usando dispersión Raman mejorada por puntas, podemos ver qué tan buenas son estas interfaces que se están formando y cuáles son las formas de entender los defectos u otras deformaciones para mejorar estas interfaces."
¿Cómo avanza conocer estos defectos en la caracterización de los materiales?
"Como tratamos con materiales semiconductores, es importante que los semiconductores se produzcan con la máxima calidad y pureza. Esto se debe a que deben rendir a un nivel muy alto cuando se insertan en los dispositivos. Por tanto, cuantificar la estructura del defecto tanto visual como en términos de números es bastante importante. Cuando fabricas dispositivos a partir de estos semiconductores o materiales, o cuando los cultivas y luego los evalúas tras el crecimiento, contar con este tipo de herramienta de caracterización te permite evaluar rápidamente a nanoescala cuáles son los tipos de defecto, propiedades y densidades. Y la dispersión Raman mejorada por punta y el Raman AFM son algunas de las técnicas más potentes en ese sentido."
¿Cómo integra esta tecnología de puentes en la ingeniería aplicada?
Hay varias formas. Los semiconductores fabricados a partir de materiales 2D están siendo considerados por diversas industrias, incluidas las mayores compañías de semiconductores, como un posible sustituto del silicio. Si queremos reemplazar el silicio por algunos de estos materiales emergentes, queremos entenderlo todo y necesitamos también rutas estándar de caracterización.
"Aquí es donde estos semiconductores son extremadamente potentes, y no creo que solo afecten a la industria de semiconductores o a la industria convencional de la electrónica de semiconductores. Las propiedades ópticas de este material bidimensional son tan fascinantes que también afectarán a las industrias electrónicas, como, por ejemplo, pantallas o LEDs, láseres y moduladores ópticos, telecomunicaciones y cosas por el estilo. Así que, en todos estos ámbitos, entender el material, la propiedad, entender sus interfaces con otros materiales es muy, muy importante. Y aquí es donde estas técnicas de caracterización son fundamentales para comprender la naturaleza fundamental de estos materiales y su estructura."
El profesor Deep Jariwala con un microscopio HORIBA LabRAM HR Evolution Raman con TERS
¿Qué propiedades ópticas y eléctricas beneficiosas poseen los materiales 2D?
"Las propiedades ópticas son principalmente su capacidad de luminiscer. Cuando iluminas estos semiconductores, absorben parte de la luz y luego fluorescen o vuelven a emitir luz. Esto también puede hacerse de otra manera, donde si envías electrones y emites luz, este es el principio de los LEDs tal y como los conocemos. O diodos emisores de luz. Y muchos de estos materiales 2D que estamos investigando emiten luz de forma muy eficiente, lo que significa que podrías usarlos para una pantalla o láseres. Otra cosa interesante de ellos es que, al ser tan finos, también es fácil modular sus propiedades ópticas, lo que significa que puedes cambiar la cantidad de luz que pasa por ellos en función de algún campo eléctrico que puedas aplicarles."
Esto tiene aplicaciones potencialmente transformadoras para la modulación óptica, que es la base de la comunicación basada en la luz, y que también es la base de nuestro internet y de toda nuestra tecnología de comunicación. Esas son las propiedades ópticas interesantes en el ámbito de la propiedad electrónica. La capacidad de modular el flujo de corriente en estos semiconductores en función del campo eléctrico permite realizar conmutaciones eléctricas. Y esa es la base de toda la informática.
"Estas son las dos propiedades centrales, en el lado óptico y en el electrónico, que hacen que estos semiconductores sean tan emocionantes para el futuro", dijo Jariwala.
Con toda esta innovación, ¿dónde estaremos dentro de 10 años, 2032, en cuanto a materiales 2D?
"Diría que no era muy optimista respecto a (2D Materials) hace solo un par de años, por los efectos de la pandemia, pero también iba creyendo poco a poco que la gente seguiría haciendo silicio cada vez mejor. No pensé que estos materiales tuvieran el potencial de reemplazar al silicio."
"Pero lo que ha pasado en los últimos dos o tres años es que la gente realmente ha encontrado formas de cultivar estos materiales en grandes áreas o obleas con muy alta calidad. Y al mismo tiempo, personas como yo y otros también hemos encontrado la manera de crear dispositivos realmente buenos a partir de ellos, incluso superando a algunos de los dispositivos de silicio."
Ahora muchas empresas, incluidos algunos de los mayores fabricantes de chips semiconductores, están considerando seriamente los materiales 2D como un semiconductor de próxima generación, ya sea para hacer lógica computacional o para almacenar datos, como aplicaciones de memoria. Prevé que podría ocurrir dentro de unos ocho a diez años.
"Hay canales de investigación o programas de desarrollo, y estamos iniciando varios proyectos piloto. Si tienen éxito, estas empresas lanzarán proyectos de investigación por valor de cientos de millones de dólares para impulsar estos materiales y dispositivos hacia la tecnología comercial."
Así que las cosas pintan cada vez más prometedoras, y Jariwala ha estado interactuando estrechamente con algunos de los mayores grupos de semiconductores en este sentido.
¿Qué significa eso? Predice que para 2032 podemos esperar ver los comienzos de la computación en nanotecnología. Aunque se podría decir que la computación ya alcanzó la nanoescala años antes de 2010, con todos los transistores en dimensiones nanoscópicas.
"Creo que la pregunta clave es cuándo entrarían realmente los nanomateriales desarrollados desde abajo hacia arriba en el hardware informático? Y creo que la respuesta a eso es sí, creo que en 10 años, en una u otra capa del microprocesador, algunos de estos materiales de origen arriba a escala nanométrica se habrían añadido como unidades funcionales en hardware informático."
Eso añadiría propiedades esenciales al microprocesador o al medio de almacenamiento: eficiencia y velocidad.
"Sabes, es una industria de billones de dólares, y cuando las cosas están a esa escala, los beneficios y, sin duda, la facturación en el negocio son lo que más importa", dijo. "Lo que está impulsando a nuestra industria informática a fabricar chips cada vez mejores ahora es la eficiencia energética en la computación y la velocidad. Estas son las dos cosas más importantes."
"La eficiencia energética se ha convertido en un gran problema porque estamos fabricando tantos dispositivos diminutos, todos comprimidos en un solo chip. Así que la eficiencia energética es lo clave, y una vez que la eficiencia energética entra en juego, en cierta medida, la velocidad también está relacionada. La eficiencia también ayuda con la velocidad, ya que reduce el calentamiento de los componentes.'
El impulso detrás de esta investigación, además de la eficiencia energética y la velocidad, es el tamaño y la motivación por fabricar dispositivos más pequeños.
Los materiales 2D pueden ajustarse tan bien con un campo electrostático que podemos ir reduciendo las dimensiones sin aumentar el consumo energético.
Con el silicio, a medida que los fabricantes diseñan dispositivos cada vez más cortos, también se traduce en un mayor consumo de energía en estado estacionario, lo que significa que los procesadores se calientan mucho más. En otras palabras, una métrica importante es cuántos cálculos puedes hacer por julio de energía o por vatio de potencia.
"Este número se ha aplanado con Silicon, y de alguna manera necesitamos subirlo de nuevo. Y eso solo es posible si, a nivel de dispositivo individual, reduces la energía consumida por cálculo, y eso es posible cuando reduces aún más estos dispositivos y los haces aún más delgados, que es lo que se obtiene naturalmente de los semiconductores bidimensionales."
La investigación ocupa casi el 70 por ciento del tiempo de Jariwala en la Universidad de Pensilvania. Utiliza un HORIBA LabRAM HR Evolution con un microscopio TERS acoplado, junto con una variedad de láseres para alcanzar el sistema TERS e investigar sus muestras.
"Tenemos un láser de 633 nanómetros y otro de 785 nanómetros, ambos capaces de hacer TERS. Esperamos añadir un láser más al sistema. Nos ha funcionado muy bien, y hemos estado publicando artículos realmente buenos usando el sistema. Así que, en general, estamos muy contentos con ello."
Estas herramientas, junto con la ingeniosidad para aplicar los resultados a tecnologías tangibles, sin duda contribuirán a la próxima generación de la informática.
Tiene alguna pregunta o solicitud? Utilice este formulario para ponerse en contacto con nuestros especialistas.
