El revestimiento ultrafino para productos electrónicos parecía un aislante milagroso, pero una fuga oculta ha desconcertado a los investigadores durante más de una década

Cuando su chaqueta de invierno reduce el calor que se escapa de su cuerpo o la funda de cartón de su café evita que el calor llegue a su mano, está viendo el aislamiento en acción. En ambos casos la idea es la misma: evitar que el calor fluya hacia donde no se desea. Pero este principio de la física no se limita al calor.

También lo utiliza la electrónica, pero con la electricidad. Un aislante eléctrico evita que la corriente fluya donde no debería. Por eso los cables de alimentación están envueltos en plástico. El plástico mantiene la electricidad en el cable, no en la mano.

Desde tazas de café hasta revestimientos de alambre, los aisladores retardan el flujo no deseado. En la vida cotidiana, es el flujo de calor. En electrónica, es el flujo de electricidad. Joe Christensen/iStock vía Getty Images; José A. Bernat Bacete/Momento vía Getty Images

En electrónica, los aisladores hacen más que proteger al usuario. También ayudan a los dispositivos a almacenar carga de forma controlada. En esta función, los ingenieros suelen referirse a ellos como dieléctricos. Estas capas aislantes están en el corazón de los condensadores y transistores. Un condensador es un componente de almacenamiento de carga; considérelo como una batería pequeña, aunque se carga y descarga mucho más rápido que una batería. Un transistor es un pequeño interruptor eléctrico. Puede encender o apagar la electricidad o controlar cuánta electricidad fluye.

Juntos, los condensadores y los transistores hacen que la electrónica moderna funcione. Ayudan a los teléfonos a almacenar información y a las computadoras a procesarla. Ayudan al hardware de IA actual a mover cantidades masivas de datos a altas velocidades.

Lo que sorprende a la mayoría de la gente es lo delgados que son estos dieléctricos aislantes que obstruyen la corriente. En los microchips modernos, las capas dieléctricas clave pueden tener sólo unos pocos nanómetros de espesor. Es decenas de miles de veces más delgado que un cabello humano. Un teléfono moderno puede contener miles de millones de transistores, por lo que, en esa escala, reducirlos incluso en 1 nanómetro puede marcar la diferencia.

Las capas aislantes clave en la electrónica avanzada pueden tener sólo unos pocos nanómetros de espesor, es decir, miles de veces más delgadas que un cabello humano. Mahest Nepal, Vladimir Zlotnik/iStock vía Getty Images, Qualcomm

Como científica eléctrica y de materiales, trabajo con mi asesora, Tara P. Dhakal, de la Universidad de Binghamton, para comprender cómo hacer que estas capas aislantes sean lo más delgadas posible manteniendo su confiabilidad.

Los dieléctricos más delgados no sólo encogen los dispositivos. También pueden ayudar a almacenar más carga. Pero a tal escala, la electrónica se vuelve delicada. A veces lo que parece un gran avance no es exactamente lo que parece. Por eso nuestro objetivo no es sólo hacer que los dieléctricos sean más delgados. Esto los hace a la vez ágiles y confiables.

¿Qué hace que un dieléctrico sea mejor que otro?

Tanto en los condensadores como en los transistores, la estructura básica es simple: contienen dos conductores separados por un fino aislante. Si acerca los conductores, se puede acumular más carga. Es como dos imanes potentes con una hoja entre ellos: cuanto más delgada es la hoja, más fuerte es la atracción.

Pero el adelgazamiento tiene un límite. En los transistores, el clásico aislante dióxido de silicio pierde su capacidad aislante a aproximadamente 1,2 nanómetros. A esa escala, los electrones pueden deslizarse a través de un atajo llamado túnel cuántico. Pierde suficiente carga que el dispositivo ya no es práctico.

Cuando los materiales son tan finos que empiezan a filtrarse, los ingenieros tienen otra palanca. Pueden cambiar a un aislante que almacene más carga sin ser extremadamente delgado. Esa capacidad se describe mediante una métrica llamada constante dieléctrica, escrita como k. Los materiales con k mayor pueden lograr este almacenamiento con una capa más gruesa, lo que dificulta el paso de los electrones.

Por ejemplo, el dióxido de silicio tiene una k de aproximadamente 3,9 y el óxido de aluminio tiene una k de aproximadamente 8, el doble. Si la capa de dióxido de silicio de 1,2 nanómetros tiene demasiadas fugas, puede cambiar a una capa de óxido de aluminio de 2,4 nanómetros y obtener aproximadamente el mismo almacenamiento de carga. Dado que la película es físicamente más gruesa, no goteará tanto.

El avance que no fue

En 2010, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Argonne informó algo que parecía casi imposible: crearon un recubrimiento ultrafino que aparentemente tenía una constante dieléctrica enorme, cercana a 1.000. El material no era un compuesto nuevo. Era un nanolaminado, una capa microscópica. En los nanolaminados, se apilan dos materiales en capas ABAB repetidas, con la esperanza de que sus interfaces creen propiedades que ninguno de los materiales tiene por sí solo.

Una vista de microscopio electrónico muestra capas repetidas en el recubrimiento nanolaminado. Es un poco como un pastel: capas finas apiladas una encima de otra. Mahesh Nepal y Dmytro Khrushchenko/iStock vía Getty Images

En ese trabajo, la pila alternaba entre óxido de aluminio, con una ak de aproximadamente 8, y óxido de titanio, con una ak de aproximadamente 40. Los investigadores construyeron la pila haciendo crecer una capa molecular a la vez, lo cual es ideal para construir y controlar capas a escala nanométrica en un nanolaminado.

Cuando el equipo hizo que cada subcapa fuera más pequeña que un nanómetro, descubrieron que todo el material era capaz de contener una cantidad increíble de carga, de ahí una k gigante.

El resultado provocó años de trabajo de seguimiento e informes similares en otros depósitos de óxido.

Pero hay un giro. En nuestro estudio reciente sobre el sistema nanolaminado de óxido de aluminio/óxido de titanio, descubrimos que el aparente valor gigantesco de k era un error de medición.

En nuestro estudio, el nanolaminado no actuó como un aislante puro y tuvo fugas suficientes para inflar el valor de k. Imagínese un balde con una grieta: sigue vertiendo y el balde parece contener mucho, aunque el agua no se queda adentro.

Cuando nos dimos cuenta de que había una fuga detrás de la enorme puntuación k, nos propusimos resolver el rompecabezas más grande. Queríamos saber qué hace que el nanolaminado tenga fugas y qué cambio de proceso podría hacerlo verdaderamente aislante.

el culpable

Primero, buscamos al culpable obvio: un defecto visible. Si la pila de películas tiene fugas, espere agujeros o grietas. Pero el nanolaminado parecía liso y continuo bajo el microscopio. Entonces, ¿por qué fallaría una pila que parece sólida?

La respuesta no estaba en la forma, sino en la química. Las primeras subcapas de óxido de aluminio no contenían suficiente aluminio. Esto significaba que la película parecía continua, pero aún estaba incompleta a escala atómica. Los electrones podrían encontrar caminos conectados y escapar a través de ellos. Era físicamente continuo, pero eléctricamente impermeable.

Nuestro proceso para crear estas películas, llamado deposición de capas atómicas, utiliza ciclos pequeños y repetibles. Añade los dos químicos, uno tras otro. Cada par es un ciclo. En el caso de la alúmina, el par suele ser trimetilaluminio (TMA), que es la fuente de aluminio, y agua, que es la fuente de oxígeno. Juntos crean óxido de aluminio y en un ciclo se añade aproximadamente una capa de material, aproximadamente una décima parte de un nanómetro. Al repetir el ciclo, puede hacer crecer la película hasta alcanzar el espesor deseado: aproximadamente 10 ciclos por 1 nanómetro, 25 ciclos por 2,5 nanómetros, etc.

Pero hay un problema. Cuando se deposita óxido de aluminio sobre óxido de titanio, el primer químico del óxido de aluminio, el TMA, puede robar oxígeno de la capa de óxido de titanio subyacente. Este problema elimina algunos de los sitios con los que normalmente reacciona la fuente de aluminio en la superficie de la capa. Entonces la primera capa de óxido de aluminio no crece de manera uniforme y termina con menos aluminio del que debería tener.

Ese problema deja pequeños puntos débiles donde los electrones pueden deslizarse y provocar fugas. Cuando el óxido de aluminio se vuelve lo suficientemente grueso (aproximadamente 2 nanómetros), forma una barrera más completa y esas vías de fuga se sellan de manera efectiva.

Un pequeño cambio revirtió el resultado. Mantuvimos la misma fuente de aluminio, TMA, pero reemplazamos la fuente de oxígeno. En lugar de agua, utilizamos ozono. El ozono es una fuente más fuerte de oxígeno, por lo que puede reemplazar el oxígeno que se elimina durante el paso TMA. Eso selló la fuga. El óxido de aluminio actuó entonces como una verdadera barrera, incluso cuando era más delgado que un nanómetro. Con la fijación con ozono, el nanolaminado actuó como un verdadero aislante.

La conclusión es simple: cuando solo tienes unas pocas capas atómicas, la química puede ser tan importante como el espesor. Los tipos de compuestos químicos que utilice pueden decidir si esas primeras capas se convierten en una verdadera barrera o dejan vías de fuga.