Zetian MI (izquierda) discute la investigación con los miembros del grupo Samuel Yang, Danhao Wang y Jiangnan Liu (derecha) al lado de la epitaxia del haz molecular (MBE) utilizado para cultivar capas delgadas de nitruros ferroeléctricos utilizados en el estudio. El equipo descubrió por qué estos materiales no se separan cuando admiten dos campos eléctricos opuestos. Crédito: Marcin Szczepanski, Michigan Engineering
Una nueva clase de semiconductores que puede almacenar información en campos eléctricos podría permitir computadoras que funcionan con menos potencia, sensores con precisión cuántica y la conversión de señales entre formas eléctricas, ópticas y acústicas, pero cómo mantuvieron dos polarizaciones eléctricas opuestas en el mismo material.
Ahora, un equipo dirigido por ingenieros de la Universidad de Michigan ha descubierto la razón por la cual los materiales, llamados nitruros ferroeléctricos de Wurtzita, no se destrozan.
“Los nitruros ferroeléctricos de Wurtzita se descubrieron recientemente y tienen una amplia gama de aplicaciones en electrónica de memoria, electrónica de RF (radiofrecuencia), acúto-electronia, sistemas microelectromecánicos y fotónicos cuánticos, por nombrar solo unos pocos. Pero el mecanismo subyacente de la conmutación ferroeléctrica y la compensación de carga se han mantenido elusivo”, dijo el mape de marrada, el mecio de marrada. Profesor Colegiado de Ingeniería de Bhattacharya y autor co-correspondiente del Estudio en Nature.
“¿Cómo se estabiliza el material? Era en gran medida desconocido”.
La polarización eléctrica es un poco como el magnetismo, pero si bien un imán de barra tiene un extremo norte y sur, un material polarizado eléctricamente tiene un extremo positivo y negativo. Los nuevos semiconductores pueden comenzar polarizados en una dirección. La exposición a un campo eléctrico puede cambiar la polarización del material (el extremo positivo se vuelve negativo y viceversa) y una vez que el campo eléctrico está apagado, la polarización invertida permanece.
Pero a menudo, no es todo el material que cambia la polarización. En cambio, se divide en dominios de la polarización original y la polarización inversa. Donde se encuentran estos dominios, y especialmente donde dos extremos positivos se unen, los investigadores no entendieron por qué la repulsión no creó una ruptura física en el material.
“En principio, la discontinuidad de polarización no es estable”, dijo Danhao Wang, investigador postdoctoral de UM en ingeniería eléctrica e informática y autor co-acorredor del estudio. “Esas interfaces tienen una disposición atómica única que nunca antes se ha observado. Y aún más emocionante, observamos que esta estructura puede ser adecuada para canales conductores en futuros transistores”.
Modelo estructural calculado de la estructura de fase hexagonal 2D Hexagonal con enlaces colgantes, en la unión horizontal entre los materiales polarizados de manera diferente (A; derecha), junto con una comparación de la configuración hexagonal tradicional de la estructura semiconductora (B, arriba a la izquierda) y la estructura de fase hexagonal 2D Buckled observada en este estudio (B, abajo a la izquierda). Crédito: Universidad de Michigan
Con estudios experimentales dirigidos por los cálculos del equipo y teoría de MI dirigidos por el grupo de Emmanouil Kioupakis, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de UM, el equipo descubrió que hay una ruptura a escala atómica en el material, pero que la ruptura crea el pegamento que lo mantiene unido.
En la articulación horizontal, donde los dos extremos positivos se encuentran, la estructura cristalina se fractura, creando un montón de enlaces colgantes. Esos enlaces contienen electrones cargados negativamente que equilibran perfectamente el exceso de carga positiva en el borde de cada dominio dentro del semiconductor.
“Es un resultado simple y elegante: un cambio abrupto de polarización generalmente crearía defectos dañinos, pero en este caso, los lazos rotos resultantes proporcionan precisamente la carga necesaria para estabilizar el material”, dijo Kioupakis, también el académico de la facultad de la familia Karl F. y Patricia J. Betz y un autor de co-acorrente del estudio.
“Lo que es notable es que esta cancelación de cargos no es solo un accidente afortunado, es una consecuencia directa de la geometría del tetraedra”, dijo. “Esto lo convierte en un mecanismo estabilizador universal en todos los ferroeléctricos tetraédricos, una clase de materiales que está ganando atención rápidamente por su potencial en dispositivos microelectrónicos de próxima generación”.
El equipo descubrió esto con microscopía electrónica que reveló la estructura atómica del semiconductor particular que utilizaron, el nitruro de escandio galio. Cuando se cumplieron los dominios, la estructura cristalina hexagonal habitual se abrochó sobre varias capas atómicas, creando los enlaces rotos. La microscopía mostró que las capas estaban más juntas de lo normal, pero se necesitaban cálculos de teoría funcional de densidad para revelar la estructura de enlace colgante.
Además de mantener el material unido, los electrones en los enlaces colgantes crean una autopista ajustable para la electricidad a lo largo de la junta, con aproximadamente 100 veces más portadores de carga que en un transistor de nitruro de galio normal. Esa carretera se puede apagar y seguir, moverse dentro del material y hacer más o menos conductiva revertiendo, moviendo, fortaleciendo o debilitando el campo eléctrico que establece la polarización.
El equipo notó inmediatamente su potencial como un transistor de efecto de campo que podría soportar altas corrientes, buenas para la electrónica de alta potencia y alta frecuencia. Esto es lo que planean construir a continuación.
Más información: Ding Wang et al, paredes de dominio inducidas por el campo eléctrico en Wurtzite Ferroelectrics, Naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41586-025-08812-7
Proporcionado por la Universidad de Michigan
Cita: Microelectrónica avanzada: por qué un semiconductor de próxima generación no se cae en pedazos (2025, 16 de abril) Recuperado el 16 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04- Activa- Microeléctrica-Gen-Semiconductor-Doesnt.html
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