Fosforeno, el nuevo semiconductor

Inventar materiales que no existen en la Naturaleza, las monocapas, ha sido un éxito, y los científicos de materiales están buscando y encontrando competidores del grafeno, un material que podemos exfoliar con solo cinta adhesiva, crear la monocapa, que permite a los electrones una alta movilidad. Se trata de lograr ordenadores más rápidos que los basados en la oblea de silicio ¿Lo lograremos? La capacidad de conmutación del transistor sí/no ha hecho posible el código binario sí/no, que es la base del chip del ordenador. La solución reside en los semiconductores con banda prohibida, pero que tengan una estructura de capas, que permita la exfoliación, por ej.: el grafito.

La investigación de los cristales de fosforeno está liderada por dos grupos: la universidad de Purdue, en EE UU (David Tománek y Peide Ye) y las dos universidades chinas de Fudan, (Shanghái) y Hefei. Llevan 10 años estudiando el fosforeno. En enero pasado publicaron sus primeros resultados, que dan comienzo a una época post-grafeno. Se trata de lograr una electrónica muy delgada, flexible, a base de fosforeno, más fácil de enfriar que el silicio. No obstante está por ver, si es posible producir grandes hojas de fosforeno.

Un material muy estudiado desde 1960 ha sido el fósforo negro, que se puede exfoliar, con estructura hexagonal de capas, igual que el grafeno, unidas con enlaces químicos blandos, de 3 valencias, con fuerzas Van der Waals; el grafeno tiene 4. A partir del fósforo rojo usando presiones y temperaturas muy elevadas se logra el fósforo negro (1914). La célula hexagonal del fosforeno tiene unas dimensiones en Angstroms de: 3,36 Aº, 4,53 Aº y 11,17 Aº.

En 2013 lograron aislar monocapas, algo arrugadas, con un espesor de solo 2 o 8 átomos de fósforo usando la cinta adhesiva. Es el mismo método usado para el grafeno en 2004. Las capas de fosforeno están separadas por un vacío de unos 15Aº. La lámina de fosforeno con espesor de un sólo átomo todavía no se ha logrado. Con su banda prohibida, podemos conmutar los estados de conducción y de aislamiento. La superficie de la oblea de fosforeno es suficientemente plana, para lograr un flujo rápido de electrones, esa alta movilidad tan apreciada. El substrato es Si/Si0₂.

Hay un semiconductor, el bisulfuro de molibdeno, con banda prohibida, que se puede exfoliar formando capas delgadas, pero el fosforeno le aventaja, porque está formado por un solo elemento, en teoría más fácil de crear y manipular, es del tipo p (huecos), es flexible.

La finalidad es superar la electrónica basada en el silicio, la actual y, por supuesto, la del grafeno. Ya hemos logrado transistores de efecto de campo con fosforeno. El canal tiene una longitud de 1 micra, y una corriente de 194 mA/mm. En el transistor el campo eléctrico controla la conductividad de un canal, fosforeno. El transistor de efecto de campo es una resistencia controlada por diferencia de potencial, con 3 componentes: surtidor, drenador y puerta.

Una oblea de fosforeno es el canal o región activa. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite que fluya, o no, corriente entre el drenador y puerta. La película de fosforeno tiene un espesor de 4-6 nm, que equivalen a 8-12 capas de átomos. En el transistor el voltaje de puerta oscila entre -30 y +30 V. En el fosforeno al disminuir el voltaje de puerta aumenta la movilidad de los electrones, una característica del transistor tipo p. En el fosforeno hemos obtenido una corriente máxima de 194 mA/mm con un voltaje de puerta de -30 V. Si seguimos disminuyendo la temperatura hasta 10 ºK logramos aumentar en 5 veces el número de portadores. En la banda prohibida la relación corriente sí/no es de 10.000, excelente.

Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo con fosforeno, son también de dos tipos: canal n y canal p. El fosforeno es de canal p, es decir, la aplicación de una señal positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción. Los transistores de efecto de campo MOS (Metal Oxide Semiconductor) son muy usados en electrónica digital, y son el componente fundamental de los circuitos integrados, o chips.

Un problema de estas monocapas es su inestabilidad, porque la monocapa reacciona con el oxígeno del aire; el fosforeno parece más estable que sus competidores siliceno y germaneno, pero producirlo no es fácil: extraer monocapas y depositarlas sobre un substrato. No obstante un elemento bidimensional con banda prohibida en electrónica vale mucho, tal vez más que el silicio. Lograr el fósforo negro supone someter al fósforo natural a presiones enormes.

El gráfico adjunto es un dibujo de Peide Ye, investigador del fosforeno. 3 finas láminas unidas por fuerzas Van der Waals: