Los dispositivos electrónicos de consumo han estado construidos con materiales que hemos utilizado durante más de 60 años, siendo el silicio, el germanio y el cobre los más destacados. A lo largo del tiempo, la electrónica semiconductora ha experimentado un aumento notable en su velocidad. Este avance se debe, en gran medida, a la miniaturización, es decir, la capacidad de apilar un número creciente de transistores en circuitos integrados (microchips) cada vez más densos. Sin embargo, algunos expertos advierten que estamos empezando a alcanzar los límites de esta miniaturización, especialmente cuando las películas delgadas se acercan a grosores de aproximadamente 10 nanómetros o incluso menos.
Estos materiales casi bidimensionales podrían ser utilizados para construir la próxima generación de dispositivos electrónicos. Sin embargo, a medida que se miniaturizan materiales electrónicos como el silicio, su eficiencia energética disminuye. Cuando el grosor de una película de silicio se reduce por debajo de los 20 a 30 nanómetros, los electrones comienzan a chocar con los bordes de la película, lo que provoca un aumento de la resistividad y una mayor disipación de energía. Este fenómeno ha sido conocido durante décadas y se explica mediante una teoría desarrollada por Klaus Fuchs, famoso también como el «espía atómico» que proporcionó información clasificada sobre el Proyecto Manhattan a la Unión Soviética, y E. Helmut Sondheimer.
Efecto de la Confinación Cuántica
En un artículo publicado en Physical Review Materials, el investigador Alessio Zaccone demuestra que la situación se agrava aún más de lo previsto por la teoría de Fuchs-Sondheimer a medida que el grosor disminuye por debajo de los 10 nanómetros, debido a un nuevo efecto conocido como confinación cuántica de electrones. Este fenómeno se refiere al aumento significativo de la energía de una partícula cuántica, como un electrón, cuando su movimiento se restringe en el espacio. Esta situación se deriva del principio de incertidumbre de Heisenberg: cuanto más precisamente se determina la posición de una partícula, mayor es la incertidumbre en su momento, lo que a su vez conduce a fluctuaciones de energía más grandes.
Zaccone ha iniciado un estudio sistemático sobre las implicaciones de la confinación cuántica en la energía de partículas cuánticas (electrones, fonones) para las propiedades de materiales reales, utilizando un modelo matemático genérico. Este modelo considera que los electrones son simultáneamente partículas y ondas, de acuerdo con la mecánica cuántica, lo que significa que, bajo la confinación miniaturizada de una delgada lámina, solo se permiten longitudes de onda compatibles con el espacio confinado del material.
Esta teoría genérica ha llevado al autor y a sus colaboradores a hacer predicciones sobre las propiedades electrónicas de materiales que concuerdan con datos experimentales en materiales ultradelgados y casi bidimensionales, algo que no era posible anteriormente. En láminas ultradelgadas de silicio, a medida que los electrones son comprimidos en un espacio más estrecho, su energía aumenta debido a la confinación cuántica. Este aumento de energía provoca que el ancho de banda, que separa los electrones de valencia (fuertemente ligados a los átomos) de los electrones que pueden moverse libremente, también se amplíe. Como resultado, la concentración de electrones libres disponibles para conducir electricidad disminuye, lo que a su vez aumenta la resistividad.
La nueva teoría matemática presentada por Zaccone muestra que el aumento de la resistividad al disminuir el grosor de la película es bastante drástico, presentando un incremento exponencial a medida que el grosor disminuye por debajo de los 10 nanómetros. Este hallazgo se alinea con datos experimentales recientes que evidencian el aumento exponencial predicho. Sin embargo, también se plantea una buena noticia: este aumento dramático de la resistividad podría mitigarse mediante un cuidadoso ajuste de la concentración de electrones libres en las nano-películas de silicio, por ejemplo, a través del dopaje. Este descubrimiento tiene implicaciones significativas para la electrónica de próxima generación, ofreciendo nuevas formas de fabricar nanochips a niveles cercanos al atómico.
