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Silicona flexible de alto rendimiento
La misma forma de silicio de alta calidad que se utiliza dentro de muchas computadoras nuevas pronto podría enrollarse en una hoja de plástico. Investigadores de la Universidad de Wisconsin, Madison, han demostrado que el tipo de silicio de alta velocidad utilizado durante los últimos años en los microprocesadores de Intel, llamado silicio tensado, se puede hacer lo suficientemente delgado como para transferirlo a un sustrato flexible.
La capacidad de colocar láminas de transistores de silicio tensado en materiales maleables podría conducir a pantallas flexibles y células solares de alta calidad, o eventualmente incluso a prótesis mejoradas o ropa computarizada, según los investigadores.
En su mayor parte, los componentes electrónicos flexibles están hechos de polímeros orgánicos que, aunque se pueden doblar, producen un rendimiento relativamente bajo. Entonces, los investigadores han estado dando al silicio, el material estándar en la electrónica, una segunda mirada como una forma de hacer circuitos flexibles (ver Silicona estirable).
Aunque el silicio suele ser frágil, puede doblarse cuando es lo suficientemente delgado. En particular, los investigadores de Wisconsin se propusieron fabricar formas flexibles de silicio tensado, un tipo de silicio de alto rendimiento comercializado recientemente por Intel. Los electrones se mueven a través del silicio tensado un 80 por ciento más rápido que en el silicio convencional, y los transistores se encienden y apagan hasta aproximadamente un 30 por ciento más rápido.
Sin embargo, hasta ahora, el silicio deformado ha sido demasiado voluminoso (micrómetros de espesor) para flexionarse. Los investigadores de Wisconsin, dirigidos por Max Lagally , profesor de ciencia de los materiales, encontró una manera de diluir el material a un par de cientos de nanómetros, así como de eliminarlo de manera efectiva de una oblea de silicio, lo que permite su uso en electrónica flexible y de alta velocidad. (Su trabajo se describe en un número reciente de Revista de física aplicada .)
El silicio deformado se fabrica típicamente utilizando múltiples capas de un material llamado silicio germanio, que tiene espacios más grandes entre sus átomos que el silicio. Cada capa de silicio germanio se altera químicamente para introducir gradualmente más espacio entre los átomos. Finalmente, se deposita una fina capa de silicio encima. Cuando los átomos de silicio (naturalmente espaciados más juntos que los átomos de germanio de silicio) entran en contacto con la capa superior de germanio de silicio, se tensan para unirse a ella. Si filtra la red de silicio, puede mejorar la movilidad y el rendimiento de los electrones en su dispositivo, dice John Rogers , profesor de ciencia de los materiales en la Universidad de Illinois, Urbana.
Pero al usar múltiples capas de germanio de silicio, el dispositivo se vuelve demasiado grueso para doblarse. Para hacer que el silicio tenso sea lo suficientemente delgado para que se flexione, Lagally y su equipo comienzan con una oblea de silicio con dos capas adicionales en la parte superior: una capa de óxido de silicio y una capa delgada de silicio. Sobre la fina capa de silicio, aplican solo una capa de silicio germanio, de solo 150 nanómetros de espesor. Dado que la capa de silicio debajo del germanio de silicio está fija, los átomos de germanio de silicio, aunque están más espaciados que el silicio, se aprietan, comprimiéndose para adaptarse a la capa de silicio debajo de él. Luego, los investigadores agregan una fina capa de silicio sobre el silicio germanio, formando un sándwich de 250 nanómetros de espesor.
En este punto, explica Lagally, no hay tensión en el silicio; solo hay compresión en el silicio germanio. Para agregar tensión, el sándwich se retira de la oblea de silicio bañándolo en ácido fluorhídrico, que corroe el óxido de silicio, la capa que conecta el sándwich con la oblea. Una vez que el dispositivo está libre, la separación de los átomos en todas las capas se ajusta ligeramente: los átomos de silicio y germanio, antes comprimidos, se aflojan y los átomos de silicio, que antes tenían un espacio normal, desarrollaron tensión.
Quitar el dispositivo de la oblea no solo agrega tensión al silicio, sino que también permite que se transfiera a otro material, dice Lagally. A partir de aquí, el dispositivo se presiona en un material flexible, al que se adhiere con la ayuda de un pegamento especial.
Sigurd Wagner , profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Princeton, dice que el trabajo es un ejemplo bien ejecutado de transferencia de dispositivos de alta calidad a un sustrato de baja calidad. Es importante, dice, que demuestra que el silicio deformado conserva sus propiedades después del proceso de transferencia, algo que no se había demostrado antes. Además, dice Rogers, el proceso podría aplicarse a la mayoría de los materiales inorgánicos, desde el silicio deformado utilizado en microprocesadores hasta los transistores de arseniuro de galio en diodos emisores de luz.
Lagally espera que este tipo de silicio flexible y de alta velocidad encuentre su camino en los productos comerciales dentro de unos años, probablemente inicialmente en sistemas de imágenes flexibles y pantallas de alta calidad.