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Allanando el camino para dispositivos electrónicos duraderos

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Allanando el camino para dispositivos electrónicos duraderos

Ilustración esquemática de las reacciones de intercambio de hidrógeno a deuterio en una superficie de n-Si terminada en hidrógeno en presencia de moléculas de HDO Deuterio: esferas rojas, Hidrógeno: esferas rosas, Oxígeno: esferas verdes, Silicio: esferas azules.Crédito: Takahiro Matsumoto de NCU Japón.
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Los científicos descubren una reacción económica para intercambiar hidrógeno ligero por sus isótopos más pesados ​​utilizando superficies de silicio, allanando el camino hacia una electrónica más duradera.

El deuterio, una versión más pesada pero menos abundante del átomo de hidrógeno, tiene muchas aplicaciones prácticas. Desafortunadamente, producir deuterio y usarlo para proteger semiconductores basados ​​en silicio requiere mucha energía y gas deuterio muy caro. Ahora, científicos de Japón handescubrió una reacción de intercambio energéticamente eficiente para intercambiar átomos de hidrógeno por deuterio en la superficie del silicio nanocristalino. Sus resultados allanan el camino hacia dispositivos electrónicos más duraderos mientras mantienen bajos los costos y el impacto ambiental.


El descubrimiento de isótopos a principios del siglo XX marcó un momento clave en la historia de la física y condujo a una comprensión mucho más refinada del núcleo atómico. Los isótopos son 'versiones' de un elemento dado de la tabla periódica que llevan el mismonúmero de protones pero un número diferente de neutrones, y por lo tanto varían en masa. Estas diferencias en la masa pueden alterar radicalmente ciertas propiedades físicas de los átomos, como sus tasas de desintegración radiactiva, sus posibles vías de reacción en reactores de fisión nuclear, y mucho más.


Si bien la mayoría de los isótopos de un elemento comparten propiedades químicas similares, hay una excepción notable: los isótopos de hidrógeno. La mayoría de los átomos de hidrógeno en la Tierra contienen solo un protón y un electrón, pero existen isótopos de hidrógeno que también tienen un neutrón deuterio o dos.neutrones tritio. El deuterio, que esencialmente pesa el doble que el hidrógeno "normal", ha encontrado muchos usos prácticos y científicos. Por ejemplo, se puede utilizar para etiquetar y rastrear moléculas como proteínas para investigar procesos bioquímicos. También puedeusarse estratégicamente en medicamentos para reducir su tasa metabólica y aumentar su vida media en el cuerpo.


Otra aplicación importante del deuterio existe en el campo de la electrónica de semiconductores. La superficie de los semiconductores basados ​​en silicio debe 'pasivarse' con hidrógeno para garantizar que los átomos de silicio no se desprendan desorben fácilmente, aumentando así la durabilidad de los microchips, baterías y células solares. Sin embargo, a través de mecanismos que aún no se comprenden completamente, la pasivación con deuterio en lugar de hidrógeno da como resultado probabilidades de desorción unas cien veces menores, lo que implica que el deuterio pronto se convertirá en un ingrediente indispensable en los dispositivos electrónicos. Desafortunadamente, ambosla obtención de deuterio y las técnicas disponibles para enriquecer las superficies de silicio con él son muy ineficientes desde el punto de vista energético o requieren un gas deuterio muy caro.


Afortunadamente, en la Universidad de la ciudad de Nagoya NCU, Japón, un equipo de científicos dirigido por el profesor Takahiro Matsumoto ha encontrado una estrategia energéticamente eficiente para enriquecer las superficies de silicio utilizando una solución de deuterio diluido. Este estudio, que se publicó en Physical Review Materials, se llevó a cabo en colaboración con el Dr. Takashi Ohhara de la Agencia de Energía Atómica de Japón y el Dr. Yoshihiko Kanemitsu de la Universidad de Kyoto.


Los investigadores encontraron que puede ocurrir una reacción de intercambio peculiar de hidrógeno a deuterio en la superficie del silicio nanocristalino n-Si. Demostraron esta reacción en películas delgadas de n-Si sumergidas en una solución que contiene deuterio usando dispersión de neutrones inelástica.Esta técnica de espectroscopia consiste en irradiar neutrones sobre una muestra y analizar los movimientos atómicos o vibraciones cristalinas resultantes. Estos experimentos, junto con otros métodos de espectroscopia y cálculos de energía basados ​​en la mecánica cuántica, revelaron los mecanismos subyacentes que favorecen la sustitución de las terminaciones de hidrógeno en la superficie den-Si con deuterio: el proceso de intercambio está estrechamente relacionado con las diferencias en los modos de vibración de la superficie entre n-Si terminado en hidrógeno y deuterio. “Logramos un aumento de cuatro veces en la concentración de átomos de deuterio en la superficie en n-Si en nuestros experimentosrealizado en fase líquida ”, destaca el Dr. Matsumoto,“ También propusimos un prototipo de enriquecimiento en fase gaseosaocol para n-Si que, de acuerdo con nuestros cálculos teóricos, podría mejorar 15 veces la tasa de enriquecimiento de deuterio ”.


Esta estrategia innovadora de explotar los efectos cuánticos en la superficie de n-Si podría allanar el camino hacia nuevos métodos para obtener y utilizar deuterio. “La reacción de intercambio eficiente de hidrógeno a deuterio que informamos puede conducir a una reacción sostenible, económicamente viable yprotocolos de enriquecimiento de deuterio respetuosos con el medio ambiente, que conducen a una tecnología de semiconductores más duradera ”, concluye el Dr. Matsumoto.


El equipo de NCU también declaró que "se ha predicho teóricamente que cuanto más pesado es el hidrógeno, mayor es la eficiencia de la reacción de intercambio. Por lo tanto, podemos esperar un enriquecimiento más eficiente de los átomos de tritio en n-Si, lo que conduce ala posibilidad de depurar agua contaminada con tritio. Creemos que este es un tema que debe ser resuelto con urgencia ”.


Esperemos que los hallazgos de este trabajo nos permitan beneficiarnos más de los isótopos más pesados ​​del hidrógeno sin afectar a nuestro planeta.

referencia
Matsumoto T, Nomata I, Ohhara T, Kanemitsu Y. Determinación de fonones superficiales localizados en silicio nanocristalino mediante espectroscopía de dispersión de neutrones inelásticos y su aplicación al enriquecimiento de isótopos de deuterio. Materiales Phys Rev . 2021; 5 6: 066003. Doi : 10.1103 / PhysRevMaterials.5.066003



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