Los transistores, esos interruptores electrónicos que son la base de toda nuestra electrónica y en especial de los microprocesadores, se basan en un material semiconductor controlado por un electrodo. Para miniaturizar aún más, el aislante que separa estos dos elementos debe reducirse a un nivel extremadamente fino. Los investigadores descubrieron un problema en ciertas combinaciones: el semiconductor y el aislante no se tocan realmente: persiste un espacio vacío de aproximadamente 0,14 nanómetros, debilitando el acoplamiento capacitivo y limitando la miniaturización.
El vacío nanométrico entre el conductor 2D y el aislante modifica profundamente las propiedades electrónicas.
Crédito: TU Wien
Este problema proviene de las débiles fuerzas de van der Waals que deben unir las capas entre sí, un fenómeno de electrodinámica cuántica. Como explica el profesor Tibor Grasser, esta fuerza ligera no es suficiente para mantener las capas bien alineadas, y siempre deja un intersticio, cualquiera que sea la calidad intrínseca del material. La única solución contemplada es diseñar materiales "de cremallera", donde el semiconductor y el aislante encajen firmemente, suprimiendo el vacío.
Por lo tanto, los científicos han establecido un método para predecir qué combinaciones evitarán esta trampa. Para el profesor Mahdi Pourfath, la industria debe desde el principio integrar el aislante en el diseño de los futuros transistores, so pena de invertir miles de millones en vías sin salida. Esta investigación, publicada en Science, redibuja el mapa de los materiales viables para los chips del mañana.
Fuerzas de van der Waals: un pegamento atómico frágil
Las fuerzas de van der Waals son interacciones electromagnéticas débiles que aparecen entre átomos o moléculas cercanas. A diferencia de los enlaces químicos fuertes (como los enlaces covalentes), no requieren compartir electrones. Resultan de fluctuaciones temporales de carga que crean dipolos magnéticos.
En los materiales 2D como el grafeno, estas fuerzas aseguran la cohesión entre las capas. Su intensidad depende de la distancia: cuanto más cerca están las capas, mayor es la atracción. Pero en superficies no perfectamente lisas o idénticas, subsiste un espacio ínfimo (aproximadamente 0,14 nm) que reduce la adherencia.
Esta debilidad se manifiesta al apilar capas de diferentes naturalezas, como un conductor 2D y un aislante. Los átomos de ambos materiales no pueden alinearse perfectamente, y las fuerzas de van der Waals no son suficientes para llenar los intersticios, creando vacíos que perjudican el rendimiento electrónico.