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Nano científico

Una entrevista con Aaron Littlejohn - estudiante de cuarto año de Ph.D. trabajando con el profesor Gwo-Ching Wang en el Nanostructure Science Laboratory de Rensselaer Polytechnic Institute’s Department of Physics, Applied Physics and Astronomy


170112 Aaron Littlejohn

Una entrevista con Aaron Littlejohn - estudiante de cuarto año de Ph.D. trabajando con el profesor Gwo-Ching Wang en el Nanostructure Science Laboratory de Rensselaer Polytechnic Institute’s Department of Physics, Applied Physics and Astronomy Es investigador en el centro de Rensselaer para materiales, dispositivos y sistemas integrados (cMDIS), una colaboración multidisciplinaria entre científicos e ingenieros de una variedad de campos, fundada con el objetivo de promover un mundo sostenible y seguro, protegido, haciendo contribuciones significativas a la ciencia y la tecnología. Su trabajo es apoyado a través del centro de atención – Nueva York (NY-FC) como parte de una alianza entre el gobierno del estado, institutos líderes de investigación y las industrias microelectrónica, optoelectrónica, Bioelectrónica y de telecomunicaciones de los Estados Unidos. FC-NY es miembro fundador del Centro de enfoque de interconexión (IFC) – una colaboración entre universidades y la industria de investigación de semiconductores y uno de cuatro sitios primarios junto con el Massachusetts Institute of Technology, la Universidad de Stanford y el Instituto de tecnología de Georgia.

La última investigación en la que Aaron participa está estudiando los efectos de los parámetros de deposición sobre las propiedades electrónicas y optoelectrónicas en películas de la aleación de semiconductor. Alterando un poco el ambiente de crecimiento muchas propiedades de los materiales pueden ser afinadas para atender las necesidades de una aplicación específica. También investiga el crecimiento de heteroestructuras de van der Waals, o combinaciones de materiales 2D/3D y 3D/2D. Esto implica el crecimiento de capas de materiales en masa, substratos sin capas y materiales tradicionales sobre sustratos de capas y se desvía del crecimiento de película convencional heteroepitaxial debido a diferencias fundamentales en los mecanismos de adhesión en la interfase. El actualmente trabaja en el desarrollo de nuevos métodos para sintetizar materiales estratificados para diversas aplicaciones, incluyendo células solares, baterías de iones de litio y circuitos integrados. Un interesante proyecto consiste en estudiar las propiedades magnéticas del disulfuro de vanadio (VS2), un material que se muestra promisorio para aplicación en sistemas espintrónicos de siguiente generación.


¿Puede explicar brevemente cómo está estudiando nuevos métodos para sintetizar materiales estratificados para diversas aplicaciones, incluyendo células solares, baterías de iones de litio y circuitos integrados y qué beneficios podrían resultar de esta investigación?

Materiales estratificados de delgados a ultrafinos (y todos los materiales en general) pueden ser sintetizados por una variedad de métodos de exfoliación simple, Geim y Novoselov utilizaron cinta Scotch delgado para adelgazar el carbono a una monocapa de grafeno, técnicas más complicadas envolviendo química mojada. Cuando no solo la estequiometría, sino el espesor es un factor crucial, deben utilizarse técnicas de síntesis que proporcionan control directo y preciso de este parámetro. Combinamos técnicas de deposición conocidas (deposición térmica, sputtering, evaporación e-beam, etc.) con procesos reactivos recocidos de metal de la transición de forma dichalcogenidos (TMDCs), por ejemplo.

Los materiales que elegimos para estudiar normalmente han demostrado tanto experimentalmente como teóricamente por cálculos funcionales de densidad que presentan propiedades interesantes y potencialmente beneficiosas. Estas propiedades pueden incluir avances innovadores, conocimientos en nanotecnología, electrónica u optoelectrónica, permitiendo que los dispositivos existentes funcionen más rápidamente o usen menos energía, o por qué sirven como base para una tecnología nueva que todavía no existe. Una de las grandes cosas de trabajar en ciencia, es que cada descubrimiento potencialmente podría cambiar el mundo de alguna manera imprevista o accidental. Por caracterizar las propiedades de un material, podemos proporcionar la última pieza del rompecabezas a otros científicos o ingenieros que trabajan en proyectos totalmente sin relación.

¿Cuáles son los hallazgos más recientes de la investigación con respecto al crecimiento de heterostructuras de van der Waals, o combinaciones de materiales 2D/3D y 3D/2D.

El estudio de heteroestructuras de van der Waals es un área emocionante y muy activa de investigación en el momento debido a sus desviaciones de heteroepitaxis convencional. Materiales estratificados, que exhiben fuertes uniones químicas en el plano químico pero débiles vínculos físicos entre las capas atómicas pueden en teoría ser exfoliadas o sintetizadas en forma ultrafina hacia sólo un átomo de espesor. Esto es muy interesante por varias razones: 1) Las propiedades de una película en forma ultrafina pueden ser radicalmente distintas a los del material a granel. Esto es de fundamental interés además de las posibles aplicaciones; 2) la próxima generación de dispositivos electrónicos se puede hacer utilizando películas ultrafinas, lo que les permite ser mucho más pequeñas. Esto podría ser beneficioso para incrementar la velocidad y eficiencia al mismo tiempo, utilizando menos material para hacerlo. Si se pueden reducir los costos de producción de materiales, los dispositivos van a costar menos. Ya se han diseñado dispositivos que utilizan el disulfuro de molibdeno y grafeno monocapa (MoS2), por nombrar un par.

Además, mediante la utilización de capas de materiales como sustratos para el crecimiento de otros materiales, uno puede aprovechar películas de nucleación de átomos en una superficie 2D libre de enlaces colgantes (electrones de valencia impares). La unión de la interfaz 2D/3D es así mucho más débil que en el tradicional crecimiento epitaxial. Esto permite el crecimiento de películas libres de tensión sin el requisito del enrejado de la coincidencia, una restricción que limita considerablemente la elección de sustratos en el crecimiento de heteroestructuras convencional. Sin tensión en la interface, las películas por epitaxia de van der Waals (vdWE) deben ser de alta calidad con pocos defectos, haciéndolas primeras candidatas para la aplicación del dispositivo.

Además del estudio de una variedad de combinaciones de materiales 2D/3D y 2D/3D, aplicaciones recientes de la vdWE implican el crecimiento de nanoestructuras no planas (p. ej. matrices de nanocable) para su uso en dispositivos semiconductores. La investigación futura seguirá demostrando la viabilidad de vdWE como un método de crecimiento para la película epitaxial y potencialmente profundizar en el crecimiento de películas ultrafinas sobre sustratos ultrafinos, tomando la tendencia de expansión hacia abajo al siguiente nivel.

¿Qué es el tribromuro de plomo metilamonio (MAPbBr3) y cómo se está utilizando para crear una dramática reducción en las dosis de radiación utilizadas durante el examen médico del cuerpo humano? ¿Hay otros potenciales usos para (MAPbBr3) en otras aplicaciones?

El tribromuro de plomo Metilamonio (MAPbBr3) pertenece a la clase de materiales conocidos como perovskitas organoleadtrihalida (OTPs) que han recibido mucha atención últimamente para su uso en detectores de radiación y energía fotovoltaica. El MAPbBr3 específicamente ha sido utilizado recientemente para fabricar un detector de rayos x capaz de alta sensibilidad de detección de rayos x de muy baja dosis [Wei et. al, Nature Photonics 10, 333-340, 2016]. Este material atenúa los rayos X mucho más eficientemente que los materiales que se utilizan actualmente en los detectores de rayos x. Como resultado, menos de este material se necesita para captar rayos x de lo que se necesita por otros. Además, el producto de carga movilidad de portador (μ) y carga portador de por vida (τ) o producto de mu-tau (μ-τ), que sirve como punto de referencia para la eficiencia de colección de carga está en un nivel récord de MAPbBr3, explicando el nuevo detector alto rendimiento y sensibilidad. Este detector podría reducir la intensidad de la radiación necesaria para evaluar el cuerpo humano durante el examen médico. Las emocionantes propiedades optoelectrónicas en MAPbBr3 también pueden permitir que sea utilizado en células solares de alta eficiencia híbrida perovskita y detectores de gases ambientales [Fang et al. Science Advances 2016;2:e1600534].

¿Cómo utiliza el microscopio de fuerza atómica Park en su investigación y cuales características encuentra como la más útil?

"El microscopio de fuerza atómica Park XE-7 es absolutamente fundamental para mi investigación. Me permite generar reconstrucciones 3D de las superficies de la muestra que ver con una ampliación más alta de lo que es posible por otras técnicas de microscopía. Yo uso estas exploraciones superficiales para extraer cantidades para el análisis de correlación de altura-altura de la cual puedo determinar parámetros de rugosidad. Soy constantemente capaz de lograr la resolución sub-nanométrica que asegura la exactitud de mis datos. Uso el modo de exploración de la gama amplia para recoger encuestas de análisis de tanto como cientos de micras cuadradas de área de medición y obtener imágenes más finas para fines cuantitativos en función de modo de pequeño escaneo. La precisión del modo de no contacto del AFM de Park da repetidamente las exploraciones de la más alta calidad.

¿Son las imágenes de nanoescala creadas por AFM esenciales para su investigación y por qué?

Las imágenes a nanoescala recogidas utilizando nuestro AFM Park son esenciales para nuestra actual investigación. Ellas proporcionan una manera de examinar la morfología de las películas en nuestro laboratorio que utilizamos para calibrar parámetros de deposición. La rugosidad de la superficie es un parámetro crucial para medir la caracterización de una película. Tiene importantes implicaciones para la calidad de interfaces en heterojunciones, que desempeñan un papel grande en la eficiencia del dispositivo, por ejemplo en las células solares. También podemos deducir mecanismos de crecimiento, o cómo la película nuclea y evoluciona, de morfología de la película según lo revelado por AFM. El software de análisis también hace fácil crear publicación de figuras de calidad.

¿Nos puede decir generalmente cómo la espintrónica está cambiando el almacenamiento de datos y la industria de semiconductores?

La fundamentación teórica del transporte de electrones dependientes de spin ha sido todo por el último par de décadas. La espintrónica, abreviatura de espintransporte y electrónica, usa campos eléctrico y magnético para manipular el momento angular de spin de los electrones además de su carga como un segundo grado de libertad. El spin se agrega a la información transmitida en un circuito y se puede mantener incluso sin aplicar energía. Así en relación con la electrónica de hoy, los circuitos espintrónicos tienen el potencial para velocidades de procesamiento de datos mayor y disminución del consumo de energía, lo que es una revolución en la capacidad de computación. Esto ha dado forma a los esfuerzos de investigación de muchos grupos industriales y académicos para encontrar materiales para hacer dispositivos de próxima generación espintrónicos una realidad.

¿Qué es el disulfuro de vanadio (VS2) y cómo puede el estudio de sus propiedades magnéticas usarse en sistemas de generación espintrónica?

EL disulfuro de vanadio (VS2) es una dicalcogenida de capas de metales de transición (TMDC) compuesto de capas de átomos V intercalados entre capas de átomos S. En el pasado, se ha estudiado como un potencial ánodo de las baterías de iones de litio, supercondensadores y sensores de humedad. Debido a que exhibe una estructura acodada, debería ser posible exfoliar o crecer VS2 en forma de monocapa.

Un área importante de investigación en espintrónica es la de búsqueda de materiales que serán adecuados para aplicación en sistemas espintrónicos. El VS2 ultrafino para monocapa se muestra promisorio para el uso en dispositivos espintrónicos debido a sus propiedades ferromagnéticas únicas que pueden manipularse directamente aplicando tensión isotrópica. Al aumentar la tensión a través de la monocapa VS2 de -5% a + 5%, los momentos magnéticos de los átomos dentro del material aumenta monótonamente [Ma Y. et al. ACS Nano 6, 2, 1695-1701, 2012]. Esta propiedad única podría utilizarse en muchos dispositivos como espintrónica de un interruptor mecánico para control de transporte de electrones polarizados de vuelta. Sin embargo, estas propiedades sólo han sido predichas por cálculos funcionales de densidad – espero sintetizar y caracterizar propiedades electrónicas y magnéticas de este material para estudiar la validez de los cálculos. También estoy trabajando en la síntesis de diversos óxidos de vanadio (VO2, V2O5), que prometen por la afinabilidad de sus propiedades ferromagnéticas.

¿Qué avances en espintrónica cree que en el futuro podrían tener un gran impacto en la sociedad?

Debido a que estoy trabajando en la planta de síntesis de materiales y caracterización y no la ingeniería de dichos materiales en los dispositivos, esto es sin duda un poco difícil para mí de responder... pero puedo decir que el impacto de la espintrónica será grande. Dispositivos más rápidos, más potentes llegarán en paquetes más pequeños a un costo menor a los fabricantes. Esto significa una mejora en la calidad y accesibilidad de nuestra tecnología actual, así como la invención de nuevas tecnologías que pueden resolver los problemas que actualmente enfrenta el mundo y mejorar nuestro nivel de vida. Es imposible decir cuánto la espintrónica va a cambiar el mundo, pero el futuro es sin duda emocionante.