Los semiconductores de banda ultraancha, como el diamante, están posicionándose como una alternativa prometedora para la electrónica de próxima generación. Esto se debe a su capacidad para manejar voltajes más altos y operar a frecuencias superiores, además de proporcionar una mayor eficiencia en comparación con materiales tradicionales como el silicio. Sin embargo, explorar las propiedades de estos materiales a escalas nanométricas presenta desafíos significativos. La luz visible tiene una capacidad limitada para investigar propiedades a esta escala, y, además, no es absorbida por el diamante, lo que impide utilizarla para lanzar corrientes o calentar rápidamente.
Investigadores del JILA, liderados por las profesoras de física de la Universidad de Colorado, Margaret Murnane y Henry Kapteyn, han desarrollado un microscopio novedoso que permite examinar estas propiedades a escalas sin precedentes. Su trabajo, publicado en Physical Review Applied, presenta un láser de ultravioleta profundo (DUV) que puede excitar y sondear comportamientos de transporte a escala nanométrica en materiales como el diamante.
Un avance en la microscopía DUV
Este microscopio utiliza luz láser DUV de alta energía para crear un patrón de interferencia a escala nanométrica en la superficie de un material, calentándolo de manera controlada y periódica. Al observar cómo este patrón se desvanece con el tiempo, los investigadores obtienen información sobre las propiedades electrónicas, térmicas y mecánicas con una resolución espacial de hasta 287 nanómetros, muy por debajo de la longitud de onda de la luz visible.
Murnane señala que esta nueva capacidad de sondeo es crucial para el futuro de la electrónica de potencia, las comunicaciones de alta frecuencia y los dispositivos computacionales basados en diamante o nitruros, en lugar de silicio. Solo comprendiendo el comportamiento de un material se puede abordar el desafío de las vidas cortas observadas en muchos nanodispositivos que incorporan materiales de banda ultraancha.
El proyecto comenzó con un reto inesperado de científicos de materiales de 3M, quienes solicitaron estudiar una muestra de material ultrabanda que no era compatible con los microscopios existentes. Esto llevó a los investigadores a colaborar con 3M para construir un microscopio capaz de estudiar el transporte en este material. Los métodos de imagen tradicionales, que dependen de la luz visible, son efectivos para estudiar materiales con brechas de energía más pequeñas, pero fallan en el caso del diamante, que tiene una brecha de energía superior a 4 electronvolts (eV).
Para generar luz DUV, el equipo comenzó con un láser que emite pulsos a una longitud de onda de 800 nanómetros. Al pasar la luz láser a través de cristales no lineales, lograron convertirla en longitudes de onda más cortas, produciendo una potente fuente de luz DUV de alrededor de 200 nanómetros. Este proceso requería una alineación precisa de los pulsos láser dentro de los cristales para lograr la longitud de onda deseada de manera eficiente.
Una vez que el sistema DUV estuvo operativo, el equipo validó su precisión usando películas delgadas de oro como material de referencia. Al generar patrones de calor a escala nanométrica, lanzaron ondas acústicas en la superficie de la película, analizando su frecuencia y comportamiento para extraer propiedades materiales como densidad y elasticidad. Estos resultados se confirmaron mediante modelos computacionales, proporcionando una validación robusta de la precisión del sistema.
Este avance no solo permite estudiar el comportamiento del diamante en su estado puro, sino que también arroja luz sobre preguntas más amplias relacionadas con el transporte de calor a escala nanométrica. A estas escalas, el calor no siempre se comporta como predicen los modelos físicos tradicionales, lo que puede tener importantes implicaciones en el desarrollo de electrónica de potencia de alto rendimiento, sistemas de comunicación eficientes y tecnologías cuánticas. Aunque los diamantes pueden no ser eternos en el mundo de la electrónica, su impacto en la nanociencia está llamado a perdurar.
