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Las propiedades de los óxidos complejos [magnetismo, conductividad y óptica] los convierten en la clave para desbloquear componentes que se utilizarán en la electrónica de próxima generación para el almacenamiento de datos, dispositivos biomédicos, sensores, energía y otras aplicaciones. Y, al poder apilar capas de monocristal de óxido complejo ultradelgadas, unas que están compuestas de átomos dispuestos geométricamente, los investigadores pueden crear nuevas estructuras multifuncionales con propiedades híbridas.

Ahora, utilizando una nueva plataforma desarrollada por ingenieros de la Universidad de Wisconsin – Madison y el Instituto de Tecnología de Massachusetts, los investigadores podrán fabricar estos materiales de cristal apilados en combinaciones ilimitadas.

Películas delgadas de películas de óxidos metálicos que se pelan y apilan y están diseñadas para tener propiedades magnéticas y electrónicas únicas. Imagen utilizada por cortesía de MIT.

Nuevo proceso del MIT: Epitaxia remota

El nuevo proceso del MIT, "epitaxia remota", implica el crecimiento de películas delgadas de material semiconductor en una oblea grande y gruesa del mismo material, que está cubierto por una capa intermedia de grafeno. La epitaxia es el proceso para depositar un material encima de otro de manera ordenada. El nuevo método de estratificación de los investigadores supera el desafío que enfrenta la epitaxia convencional: que cada nueva capa de óxido debe ser estrechamente compatible con la estructura atómica de la capa subyacente.

"La ventaja del método convencional es que puedes cultivar un solo cristal perfecto sobre un sustrato, pero tienes una limitación". dice Chang-Beom Eom, profesor de ciencia de materiales e ingeniería y física de la UW – Madison. “Cuando cultivas el siguiente material, tu estructura debe ser la misma y tu espacio atómico debe ser similar. Esa es una restricción, y más allá de esa restricción, no crece bien ".

Hace unos años, los investigadores del MIT desarrollaron un enfoque alternativo al método convencional que se utilizó como parte del nuevo proceso remoto de epitaxia: la adición de una capa intermedia hecha de un material de carbono ultrafino, el grafeno. Esta capa actúa como un respaldo despegable.

Cuando se ha desarrollado una película semiconductora, se puede despegar de la oblea, que luego se puede reutilizar para hacer crecer otra película. Con este método, se puede cultivar una cantidad ilimitada de películas semiconductoras delgadas y flexibles.

Como se destacó en su investigación, los científicos demuestran que pueden usar la epitaxia remota para producir películas independientes de cualquier material funcional. También pueden apilar películas hechas de estos diferentes materiales para producir dispositivos electrónicos flexibles y multifuncionales.

Investigadores del MIT involucrados con el método de "despegar y apilar" para electrónica elástica. De izquierda a derecha: Kuan Qiao, Jeehwan Kim, Hyun S. Kum, Wei Kong, Sang-Hoon Bae, Jaewoo Shim, Sangho Lee, Chanyeol Choi. Imagen utilizada por cortesía de MIT.

Películas electrónicas elásticas para realidad virtual y más

Los investigadores del MIT creen que su proceso podría eventualmente usarse para producir películas electrónicas elásticas para su uso en una variedad de tecnologías, como lentes de contacto con realidad virtual, pieles con energía solar que se adaptan a los vehículos eléctricos y cargan sus baterías, y telas electrónicas que responder a cambios en las condiciones climáticas.

"Puede utilizar esta técnica para mezclar y combinar cualquier material semiconductor para tener una nueva funcionalidad del dispositivo, en un chip flexible". dice Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Puedes hacer electrónica en cualquier forma".

"Este avance, que habría sido imposible utilizando técnicas convencionales de crecimiento de película delgada, despeja el camino para posibilidades casi ilimitadas en el diseño de materiales". dice Evan Runnerstrom, gerente de programa en diseño de materiales en la Oficina de Investigación del Ejército, que financió parte de la investigación. “La capacidad de crear interfaces perfectas mientras se acoplan clases dispares de materiales complejos puede permitir comportamientos completamente nuevos y propiedades ajustables, que podrían aprovecharse para nuevas capacidades del Ejército en comunicaciones, sensores reconfigurables, electrónica de baja potencia y ciencia de información cuántica.

Los resultados de Kim y sus colegas muestran que la epitaxia remota se puede utilizar para crear dispositivos electrónicos flexibles a partir de una combinación de diferentes materiales con diferentes funcionalidades, que anteriormente eran difíciles de combinar en un solo dispositivo.

"El panorama general de este trabajo es que puedes combinar materiales totalmente diferentes en un solo lugar", dice Kim. "Ahora puede imaginar un dispositivo delgado y flexible hecho de capas que incluyen un sensor, un sistema informático, una batería, una célula solar, para que pueda tener un chip apilado de Internet de las cosas flexible y autoalimentado".

El equipo está explorando diferentes combinaciones de películas semiconductoras y está trabajando en el desarrollo de prototipos de dispositivos. Uno de estos dispositivos es a lo que Kim se refiere como un "tatuaje electrónico": un chip flexible y transparente que puede adherirse y ajustarse al cuerpo de una persona y transmitir signos vitales a un dispositivo externo.

"Ahora podemos hacer productos electrónicos delgados, flexibles y portátiles con la más alta funcionalidad" Kim agregó. "Simplemente despegar y apilar".