Físicos de la BUAP exploran uso de silicio poroso

Por Dalia Patiño González

Puebla, Puebla. 19 de mayo de 2017 (Agencia Informativa Conacyt).- Como una alternativa para incrementar la capacidad de procesamiento en las computadoras, el doctor Antonio Méndez Blas, la doctora Estela Calixto Rodríguez y el doctor Elías López Cruz, investigadores del Instituto de Física de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), desarrollan materiales alternos a partir del silicio poroso (SiP) y fluoruros, explotando sus propiedades como un medio de transferencia de información a través de la manipulación de la luz.  

El silicio es un elemento abundante en la naturaleza, principalmente en rocas y arenas; tradicionalmente se ha empleado en la tecnología como semiconductor, con características ópticas muy pobres. Entre las aplicaciones del silicio, destaca su uso en la electrónica, justamente a través de las obleas de silicio que son la materia prima de la microelectrónica, presente en los dispositivos que a diario usamos. 

Con los años, los límites físicos en cuanto a la capacidad de procesamiento se hicieron evidentes y en un principio se buscaron alternativas para acabar con esa limitante.

Dr. Antonio Méndez Blas.En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, el doctor Méndez Blas, líder del proyecto, explica que ante las limitantes físicas que se iban alcanzando, la tendencia se inclinó por cambiar el paradigma en cuanto a la programación; de esta nueva alternativa para procesar los datos surgió el cómputo en paralelo, lo que llevó a los procesadores multi-core, como los Dual-Core; sin embargo, esta opción fue una solución temporal ya que pronto vería también sus limitantes físicas.

Computadoras híbridas

Para finales de los 90 y principios de este siglo —explica Méndez Blas—, se plantearon seriamente alternativas radicales para sustituir a los procesadores electrónicos; entonces toman preponderancia dos vertientes: la espintrónica y la fotónica. La primera estudia el control del estado del espín de ciertos materiales, en tanto que la fotónica, el control y manipulación de la luz o de fotones.

"Una de las aplicaciones cotidianas de la fotónica la podemos encontrar en la fibra óptica de transmisión de datos, su tecnología consiste en controlar y llevar información a través de la luz, es decir, se modula la luz para transportar información", ejemplifica el experto de la BUAP. 

En cuanto a la espintrónica, el doctor Méndez Blas detalla que en su aplicación es mucho más versátil y tiene mejores perspectivas para el procesamiento de datos y no solo en el trasporte de información, pero esta tecnología aún se encuentra en intenso desarrollo —IBM, por ejemplo.

“De eso se trata la espintrónica actual, como una propuesta para computadoras cuánticas, de controlar el espín y hacer procesos lógicos, cosa que por ahora no se ha logrado con la fotónica. Lo que se puede ver es que en las dos tendencias hay campos de trabajo diferentes, es decir, el espín en la computación cuántica va hacia las operaciones lógicas hechas por un procesador, mientras que la fotónica se encamina hacia el control y direccionamiento de datos. Es evidente que están destacando las dos áreas y en un futuro creo que vamos a tener sistemas híbridos entre espintrónica, fotónica y electrónica”, refiere el doctor Antonio Méndez Blas.

El doctor Méndez Blas, miembro nivel II del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), añadió que aunque la electrónica se mantenga vigente, lo cierto es que el objetivo que se quiere alcanzar es no tener prácticamente limitación en el número de operaciones por minuto que puede hacer un procesador.

Como ejemplo mencionó lo que sucede con la computación cuántica, que realiza procesos con una alta capacidad de procesamiento; sin embargo, si no se tuviera la manera de manejar los datos generados, resultaría inútil esta capacidad, por eso la importancia del manejo de la información a través de la luz, y es ahí donde la fotónica juega un papel importante.

Lo económico a cambio de lo más eficiente

“Desde mi perspectiva, estos son los campos en los que se está desarrollando el tema, aunque al final, la economía es la que marca la pauta y los sistemas que prevalecerán se determinarán por dos vías: los sistemas que resulten más eficientes y que tal condición justifique su costo, o bien que aun cuando no sean muy eficientes, sean de muy bajo costo compensando con volumen y rápida sustitución. Esto ya sucedió con el silicio, un semiconductor de banda indirecta que abunda en la Tierra, pero con propiedades electrónicas fácilmente superables por otros semiconductores como el germanio. Sin embargo, su abundancia como materia prima (casi 106 átomos de silicio por cada dos átomos de germanio en la Tierra) compensa estas deficiencias en cuanto al costo, incluso considerando el proceso de fundido y purificación, nada baratos. De tal manera que económicamente la eficiencia no lo es todo cuando se lleva a la aplicación comercial ”, añade el doctor Méndez Blas.

Silicio poroso por accidente para un procesador

En la década de los 50, cuando Arthur Uhlir aplicó una descarga de corriente eléctrica con la intención de pulir un cristal de silicio, lo que obtuvo fue la formación de una serie de manchas oscuras sobre esta placa, la cual al ser analizada resultó ser silicio poroso. Años después, en los 1990, Leigh Canham observó que el SiP era fotoluminiscente, es decir, que era capaz de emitir luz visible a temperatura ambiente bajo iluminación UV. Este hallazgo permitió darle propiedades ópticas que salvaron al silicio de ser un material que poco a poco estaría destinado al desuso.

La porosidad lograda en el silicio gracias a las descargas eléctricas o procesos electroquímicos permite que este material adquiera propiedades ópticas, ya que los huecos generados en las obleas de este elemento de orden nanométrico pueden ser ocupados por otro tipo de materiales y adquiere nuevas características ópticas como un medio efectivo.

“Entre las explicaciones de la fotoluminiscencia en SiP más aceptadas, se plantea que en las paredes de los agujeros queda silicio confinado en capas muy delgadas, dando lugar al efecto de confinamiento cuántico. Gracias a esto pudieron darse cuenta que el SiP podía superar sus limitaciones y mostrar propiedades ópticas importantes gracias a la porosidad inducida, así que literalmente esta fue la luz que puede mantener vigente la tecnología basada en silicio”.

Cristal fotónico a partir de obleas de silicio puro

El doctor Méndez Blas mencionó que el silicio poroso permite crear cristales fotónicos con gaps ópticos, que son el equivalente a las brechas prohibidas (gap) en semiconductores que son la base de la electrónica, es decir, un material artificial que permite un comportamiento controlado de la luz.

“Yo elijo o diseño el cristal fotónico y lo construyo de forma controlada en condiciones óptimas para lograr un gap fotónico deseado, a diferencia de un monocristal de semiconductor que crece de acuerdo a la forma que la naturaleza le dicta. En el último caso, también es posible modificar el gap con algunos dopantes pero está limitado a un rango, en tanto que en los cristales fotónicos las posibilidades son casi ilimitadas. Un cristal fotónico también debe ser ordenado, pero puede ser periódico o aperiódico, dependiendo de lo que se busque; lo que hago es diseñarlo a voluntad para que cuando la luz pase a través de él se comporte de cierta manera o permita que ciertas frecuencias pasen. A partir de esto esperamos que tenga una función específica cuando se introduzca en un procesador completo”.

El doctor Méndez Blas mencionó que el cristal fotónico permite, además, que la información que sale del procesador pueda llevarse a cabo a través de un multiplexado, es decir, un cristal fotónico permite que la señal que salga en un momento dado la transforme en una señal óptica y que el cristal fotónico sepa a qué dirección mandar esa señal para que otros procesadores hagan su trabajo. Esa es la idea que desarrolla en su laboratorio junto con su equipo de trabajo.

Para obtener el silicio poroso, el investigador detalló que se parte de una oblea de silicio tipo p del mismo tipo que las utilizadas para la fabricación de microprocesadores, a la cual se le hacen poros de 10 a 50 nanómetros de diámetro con un proceso de grabado electroquímico, el cual consiste en un ataque con ácido fluorhídrico y corriente eléctrica para generar iones que perforan ciertas regiones del silicio cuando este se sumerge en la solución.

El proceso se activa solo cuando se pasa corriente eléctrica, lo que facilita su control. Una vez lograda esta porosidad, la combinación del silicio que quedó con el aire o el material que se introduzca en los orificios le dará propiedades ópticas específicas.

Aplicaciones del SiP

El silicio poroso, además de ser contemplado por sus cualidades como cristal fotónico para el procesamiento informático de datos del futuro, tiene otras aplicaciones que son estudiadas por el doctor Méndez Blas y su equipo de trabajo del cuerpo académico de Física Aplicada del IFUAP.

Por ejemplo, gracias a su porosidad, este material representa una superficie específica del orden de los 520 metros cuadrados, por un centímetro cúbico de silicio poroso. Al infiltrar los poros con gases, fluidos o moléculas biológicas, gracias a su interacción superficial, los cambios en conductividad, índice de refracción u otra propiedad física o química es detectable. Por ello es posible aplicar SiP para sensores de gases, de contaminantes en fluidos o incluso biosensores.

En el caso de los biosensores, el doctor Méndez Blas, junto con estudiantes de posgrado, logró funcionalizar los poros del SiP con la molécula llamada (3-aminopropil)trietoxisilano o APTES, la cual se enlaza fácilmente con una variedad de moléculas biológicas. La idea era desarrollar un sensor biológico que detectara los niveles de prolactina en las mujeres que no están amamantando y que se relaciona con posibles afecciones de cáncer de mama.

“Se usó un cristal fotónico de SiP al que se le introdujo la APTES, la cual atrae a la prolactina, hormona que estimula la secreción de la leche materna, pero que en el caso de las mujeres que no están en ese proceso de alimentar a un bebé se vincularía con padecimientos serios como cáncer”, concluye el doctor Méndez Blas, quien estudia las aplicaciones del SiP desde hace casi nueve años.

 

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