In uno studio pubblicato su Nature Materials , gli scienziati dell'Università della California, Irvine, descrivono un nuovo metodo per creare cristalli molto sottili dell'elemento bismuto, un processo che potrebbe aiutare la produzione di dispositivi elettronici flessibili a basso costo a diventare una realtà quotidiana.
"Il bismuto affascina gli scienziati da oltre cento anni grazie al suo basso punto di fusione e alle proprietà elettroniche uniche", ha affermato Javier Sanchez-Yamagishi, assistente professore di fisica e astronomia alla UC Irvine e coautore dello studio. "Abbiamo sviluppato un nuovo metodo per creare cristalli molto sottili di materiali come il bismuto e, nel processo, rivelare comportamenti elettronici nascosti delle superfici del metallo."
I fogli di bismuto realizzati dal team hanno uno spessore di solo pochi nanometri. Sanchez-Yamagishi ha spiegato come i teorici abbiano predetto che il bismuto contiene speciali stati elettronici che gli consentono di diventare magnetico quando l'elettricità lo attraversa, qualcosa di essenziale per i dispositivi elettronici quantistici basati sullo spin magnetico degli elettroni.
Uno dei comportamenti nascosti osservati dal team sono le cosiddette oscillazioni quantistiche originate dalle superfici dei cristalli.
"Le oscillazioni quantistiche nascono dal movimento di un elettrone in un campo magnetico", ha detto Laisi Chen, Ph.D. candidato in fisica e astronomia presso l'UC Irvine e uno degli autori principali dell'articolo. "Se l'elettrone può completare un'orbita completa attorno a un campo magnetico, può mostrare effetti importanti per le prestazioni dell'elettronica. Le oscillazioni quantistiche furono scoperte per la prima volta nel bismuto negli anni '30, ma non sono mai state osservate nei cristalli di bismuto sottili nanometri. "
Amy Wu, un dottorato di ricerca. candidato in fisica nel laboratorio di Sanchez-Yamagishi, ha paragonato il nuovo metodo del team a una pressa per tortilla. Per realizzare i fogli ultrasottili di bismuto, ha spiegato Wu, hanno dovuto schiacciare il bismuto tra due piastre calde. Per rendere le lastre così piatte, hanno dovuto utilizzare piastre di formatura perfettamente lisce a livello atomico, il che significa che non presentano avvallamenti microscopici o altre imperfezioni sulla superficie.
"Abbiamo quindi realizzato una sorta di quesadilla o panini in cui il bismuto è il ripieno di formaggio e le tortillas sono le superfici atomicamente piatte", ha affermato Wu.
"C'è stato questo momento nervoso in cui abbiamo trascorso più di un anno a creare questi bellissimi cristalli sottili, ma non avevamo idea se le loro proprietà elettriche sarebbero state qualcosa di straordinario", ha detto Sanchez-Yamagishi. "Ma quando abbiamo raffreddato il dispositivo nel nostro laboratorio, siamo rimasti stupiti nell'osservare oscillazioni quantistiche, che non erano mai state osservate in precedenza nei film sottili di bismuto."
"La compressione è una tecnica di produzione molto comune utilizzata per realizzare materiali domestici comuni come il foglio di alluminio, ma non è comunemente utilizzata per realizzare materiali elettronici come quelli utilizzati nei computer", ha aggiunto Sanchez-Yamagishi. "Crediamo che il nostro metodo verrà generalizzato ad altri materiali, come stagno, selenio, tellurio e leghe correlate con bassi punti di fusione, e potrebbe essere interessante esplorarlo per futuri circuiti elettronici flessibili."
Successivamente, il team vuole esplorare altri modi in cui i metodi di compressione e stampaggio a iniezione possono essere utilizzati per realizzare i prossimi chip per computer per telefoni o tablet.
"I nostri nuovi membri del team apportano idee entusiasmanti a questo progetto e stiamo lavorando su nuove tecniche per ottenere un ulteriore controllo sulla forma e sullo spessore dei cristalli di bismuto coltivati", ha affermato Chen. "Ciò semplificherà il modo in cui produciamo i dispositivi e ci avvicinerà ulteriormente alla produzione di massa."
Il gruppo di ricerca comprendeva collaboratori dell'UC Irvine, del Los Alamos National Laboratory e dell'Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone.
Ulteriori informazioni: Laisi Chen et al, Trasporto elettronico eccezionale e oscillazioni quantistiche in sottili cristalli di bismuto cresciuti all'interno di materiali van der Waals, Materiali naturali (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01894-0
Informazioni sul giornale: Materiali naturali
Fornito dall'Università della California, Irvine
