¿Una nueva apariencia para el silicio?

El silicio es una sustancia tan importante que la gente le puso su nombre a un valle: Silicon Valley. Pero esto no es sorprendente en el caso del silicio, porque hoy en día las tecnologías altamente desarrolladas de la humanidad se basan en el silicio.

El silicio es un material semiconductor con una conductividad eléctrica entre la del metal y la del aislante. En un chip de computadora, la aplicación de un voltaje pequeño puede hacer que el silicio cambie entre un estado conductor y un estado aislante, generando información digital binaria "0" y "1" y luego completando operaciones lógicas. Este control de la corriente eléctrica, combinado con una alta estabilidad y confiabilidad, ha permitido que el silicio domine la industria electrónica durante más de 60 años. Ya sea un teléfono inteligente o un marcapasos, los chips de su interior están hechos de silicio, y la emergente industria solar también utiliza el silicio como material principal porque puede convertir la luz en electricidad.

El silicio tiene una demanda tan alta que uno podría tener la ilusión de que las propiedades del silicio mencionadas anteriormente son únicas, pero no es así. Por ejemplo, el germanio también es un material semiconductor común. Además, existen diversos materiales semiconductores como el arseniuro de galio, el fosfuro de galio, el sulfuro de cadmio y el sulfuro de zinc. El estatus actual del silicio se debe principalmente a su cantidad más que a su rendimiento. Como segundo elemento más abundante en la Tierra, el bajo costo del silicio lo hace extremadamente “útil” para los humanos.

Pero la estructura atómica del silicio limita su capacidad para conducir electrones y la utilización de sus propiedades eléctricas ha alcanzado su punto máximo. Ahora, un chip de alta gama puede integrar 5 mil millones de transistores, que son las unidades básicas para controlar la conmutación de corriente. Esto ya está cerca del límite de puntos. Si intenta agregar más transistores, el calor generado por defectos en el material de silicio reduce la eficiencia del chip, que es la razón principal por la que las velocidades del procesador se han estancado durante la última década. Si los dispositivos electrónicos fueran más rápidos, más baratos y más compactos, el silicio tal como lo conocemos hoy probablemente sería rechazado.

En cuanto a las células solares, las perspectivas del silicio no son muy buenas. El silicio no absorbe muy bien la luz porque es un material semiconductor de banda prohibida indirecta (los semiconductores se pueden dividir en semiconductores de banda prohibida directa y semiconductores de banda prohibida indirecta. Los primeros pueden realizar directamente la conversión fotoeléctrica, mientras que los segundos requieren fonones, que es la energía de vibración reticular para conversión fotoeléctrica). Como resultado, las células solares de silicio tradicionales son muy ineficientes.

¿Dónde están las alternativas?

Para lograr avances sustanciales se han propuesto muchos elementos y compuestos que pueden sustituir al silicio. En cuanto al material de los chips de ordenador, algunos han propuesto utilizar grafeno en lugar de silicio. El material es más resistente que el acero y los electrones viajan a través de su superficie mucho más rápido que el silicio. Sin embargo, el grafeno es difícil de producir a gran escala y carece de una de sus propiedades más críticas: la banda prohibida. La banda prohibida permite que los dispositivos semiconductores se apaguen y realicen operaciones "lógicas". En lo que respecta a las aplicaciones lógicas, se puede decir que el grafeno es inútil. En cuanto a los nuevos materiales para las células solares, se han probado algunos compuestos de banda prohibida directa, como el telururo de cadmio, el arseniuro de galio, etc. Sin embargo, estos materiales contienen elementos raros y costosos o metales pesados ​​altamente tóxicos, que causarán un gran daño a la ambiente. de destrucción.

Después de intentarlo una y otra vez, los científicos no pudieron encontrar un sustituto perfecto y regresaron con nuevas ideas: tal vez, para resolver el problema, necesitemos trabajar con silicio. Después de todo, el silicio es un material maduro, en gran medida no tóxico, y la gente ya lo ha equipado con muchas instalaciones industriales, siempre que podamos convertirlo en un "nuevo silicio" con las mejores propiedades de otros materiales. Resulta que esta transformación es científicamente posible. Un elemento puede variar mucho dependiendo de la disposición de sus átomos, como el grafeno, que es una red bidimensional del elemento carbono. La disposición de los átomos cambia y los mismos átomos pueden convertirse en diamantes deslumbrantes.

Si24 con banda prohibida directa

Algunos científicos ya están siguiendo esta idea, como Timothy Strobel de la Carnegie Institution de Washington. En 2014, él y sus colegas anunciaron la creación de un nuevo tipo de silicio, Si24, que solo requiere contracción atómica para lograr una banda prohibida directa.

De hecho, el descubrimiento del Si24 fue sólo un accidente. Strobel y sus colegas comprimieron silicio y sodio para crear un cristal azul brillante, Na4Si24, y luego quisieron medir la resistencia eléctrica del cristal compuesto. Para medir la resistencia, es necesario pegar el electrodo al cristal y calentarlo. Strobel descubrió que cuando se calentaba a 40°C, los iones de sodio del cristal comenzaban a escapar y las propiedades eléctricas del cristal también cambiaban. Este es un resultado inesperado.

Por lo general, los compuestos de silicio forman una red en forma de jaula, y los iones de sodio más pequeños quedan atrapados en la red de Si y no pueden escapar a temperaturas muy altas. Na4Si24 no forma una red de jaula, sino una red de pasillo. Los iones de sodio se escapan fácilmente cuando aumenta la temperatura. Cuando se calienta a 100°C, el contenido de sodio no supera uno por cada 1.000 átomos. Si la temperatura aumenta un poco más, se crea un tipo verdaderamente nuevo de silicio: el Si24.

Aunque en esencia, el Si24 todavía se considera un semiconductor de banda prohibida indirecta, siempre que se aplique una pequeña tensión, como apretarlo en un 2%, los electrones pueden saltar directamente y realizar la conversión fotoeléctrica directamente. Las mejores células solares de silicio actuales tienen sólo un 25% de eficiencia (el 25% de la energía luminosa se convierte en electricidad). Los científicos generalmente creen que el límite superior de eficiencia de las células solares es del 33%. El Si24 puede acercar la eficiencia de las células solares a este límite superior, o incluso más.

BC8 libera electrones

El límite superior del 33% se basa en el supuesto de que cada fotón incidente excita un electrón libre que puede conducir electricidad. De hecho, si se consideran los efectos cuánticos microscópicos, algunos materiales pueden excitar múltiples electrones libres a la vez, y una nanopartícula de silicio llamada BC8 puede generar múltiples electrones libres basándose en un solo fotón.

Los investigadores simularon el comportamiento de BC8 con la ayuda de supercomputadoras en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Esta estructura de silicio se forma en un entorno de alta presión pero es estable a presión normal. Los resultados de la simulación muestran que las nanopartículas de silicio BC8 generan múltiples pares de huecos de electrones basados ​​en un solo fotón. El uso de BC8 puede aumentar la eficiencia de las células solares al 42%, superando el límite superior del 33%, lo cual es de gran importancia. Además, si se utilizan reflectores parabólicos para recoger la luz solar para las nuevas células solares, la eficiencia del BC8 puede llegar incluso al 70%.

Desafortunadamente, BC8 solo puede funcionar bajo radiación ultravioleta y, combinado con las nanopartículas de silicio tradicionales, no puede funcionar correctamente bajo radiación de luz visible. Sin embargo, científicos de la Universidad de Harvard publicaron un artículo en el que afirman que cuando las células solares de silicio ordinarias se irradian con láser, la energía emitida por el láser es suficiente para generar un alto voltaje local para formar nanocristales de silicio BC8. Por lo tanto, es posible que se pueda mejorar la eficiencia de las células solares si las células solares existentes se sometieran a presión o se iluminaran con láser, una idea que Strobel ha estado probando.

Siliceno casi perfecto

En el campo de los chips informáticos, otro nuevo tipo de siliceno ha estado logrando avances. La silicona es un material similar al grafeno hecho de silicio de un átomo de espesor. La silicona, como el grafeno, tiene una conductividad eléctrica extraordinaria, pero tiene una banda prohibida que teóricamente permite operaciones lógicas.

2065438+En febrero de 2005, Deki Akinwand de la Universidad de Texas anunció que habían creado el primer transistor de siliceno. Esto causó un gran revuelo porque los silanos son extremadamente difíciles de preparar. A diferencia del grafeno, este material se puede despegar capa por capa de grandes trozos de grafito utilizando cinta adhesiva. Para obtener siliceno, los científicos necesitan calentar silicio al vacío y luego depositar el vapor en una pepita de plata, lo cual es un proceso muy complicado. Además, el siliceno por sí solo es extremadamente inestable en el aire. Incluso en 2014, algunos científicos se preguntaban si el siliceno realmente existía.

Aunque la tecnología de transistores de siliceno fabricada por Akinwand es muy inteligente, no se puede aplicar en la práctica en poco tiempo porque el siliceno expuesto se destruye en dos minutos. Si desea prolongar la vida útil de un transistor de silicio, debe agregarle una capa protectora. Sin embargo, este avance animó a los científicos a experimentar de diversas formas con la tecnología de fabricación de transistores basados ​​en silicio, lo que conduciría a una revolución en la industria electrónica. Después de todo, la velocidad de transmisión de electrones en la superficie del sileno es 654,38+0 millones de veces más rápida que la del silicio ordinario. Las colisiones entre electrones de alta velocidad se reducen considerablemente, lo que reduce el calor generado por chips densos y hace que los dispositivos electrónicos sean más pequeños. Además, los transistores fabricados con siliceno serían muy finos. Los científicos también están considerando agregar BC8 y Si24 a la electrónica del futuro e integrar dispositivos ópticos y electrónicos en un solo chip. Este chip híbrido puede utilizar luz y electrones para transmitir señales, aumentando considerablemente la velocidad y la cantidad de datos que puede transportar. Por lo tanto, en el futuro, el silicio tendrá fantásticas perspectivas y seguirá ocupando el centro del escenario de la industria electrónica.

(Este artículo proviene de Big Technology*Science Mystery Número 3 2016)