Deformatrónica: La nueva electrónica de los materiales flexibles

Nota editorial (2025): publicado originalmente en 2020. Se añadió una versión estructurada con fines enciclopédicos. El texto original se conserva íntegro como parte del archivo histórico.

Deformatrónica

Estudio y desarrollo del primer dispositivo basado en la deformatrónica.

• Imagen artística: un prototipo detector de luz con capacidad para ajustar su sensibilidad mediante mecanismos físicos, específicamente tensión y compresión aplicadas.

Materiales utilizados en la tecnología:

• Semiconductor bidimensional de solo tres átomos de espesor, el disulfuro de molibdeno (MoS2). Este material se deposita sobre un substrato especial con alto coeficiente de expansión térmica.

Mechanismos físicos empleados para controlar las propiedades electrónicas:

• Expansion y contracción del substrato al calentarlo o enfriarlo respectivamente.
• Esta manipulación térmica se traduce directamente en el estiramiento y compresión de la capa MoS2, modificando sus propiedades electrónicas. Aumentar su ancho de banda espectral y sensibilidad por tensión.
• Disminuir estas mismas características mediante compresión del dispositivo para incrementar la velocidad operativa.

Potencial aplicativo:

• Adaptación al cambio en condiciones de iluminación, similar a adaptabilidad del ojo humano. La capacidad para modificar la respuesta espectral y sensibilidad puede ser útil en diversas aplicaciones que requieren un control dinámico.
• Utilidades potenciales incluyen cámaras capaces de tomar imágenes a través de distintos rangos espectrales, la inspección industrial y procesada para identificar daños en piezas o productos agrícolas.

Desafíos técnniks:

• La necesidad de tiempo considerable (decenas de segundos) para desarrollar la aplicación de la deformación física limita la velocidad del dispositivo.
• Innovaciones en microfabricación y el desarrollo de actuadores capaces de generar deformaciones rápidas son clave para mejorar esta limitante. Microactuadores actualizados controlan estas deformaciones con una escala temporal más pequeña (décimas de segundo).

Nota Editorial:

Andrés Castellanos-Gómez del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y el Instituto de Ciencias Materiales en Madrid, recibe fondos del European Research Council para la investigación relacionada con los dispositivos electrónicos basados en materiales bidimensionales.

Preguntas frecuentes

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¿Qué es Deformatrónica?
Deformatrónica se refiere al estudio y desarrollo del primer dispositivo basado en la deformatrónica que utiliza el estiramiento y compresión física para controlar propiedades electrónicas.

¿Cuáles son los materiales utilizados?
El disulfuro de molibdeno (MoS2) bidimensional con solo tres átomos de espesor se utiliza junto a un substrato especializado para alta expansión térmica.

¿Cómo funcionan los mecanismos físicos empleados en la tecnología?
Al calentar o enfriar el dispositivo, se estira y comprime su capa MoS2 de forma que altera sus propiedades electrónicas.

¿Cuáles son las aplicaciones potenice

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Texto original (2020)

Las propiedades electrónicas de los materiales pueden controlarse mediante deformaciones mecánicas de su estructura cristalina. Recientemente se ha discutido la posibilidad de emplear esas deformaciones mecánicas para controlar las propiedades de dispositivos electrónicos. Este nuevo tipo de electrónica se denomina deformatrónica.

Materiales bidimensionales deformables

La deformatrónica se ve obstaculizada por problemas técnicos en la aplicación de deformaciones mecánicas controladas a dispositivos electrónicos basados en semiconductores convencionales.

El desarrollo en la investigación en semiconductores bidimensionales (una familia de materiales emparentada con el grafeno) promete resolver en gran parte estos problemas.

Estos nuevos materiales se pueden estirar, comprimir e incluso doblar y pueden soportar enormes deformaciones sin llegar a romperse.

Primeros dispositivos

En el Grupo de Investigación 2D Foundry, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), hemos dado los primeros pasos en el desarrollo de dispositivos deformatrónicos. Hemos diseñado y construido un prototipo de detector de luz cuya sensibilidad puede modificarse mediante una tensión o compresión mecánica. Nuestros resultados se han publicado en la revista Materials Today.

El dispositivo se basa en una capa de tan solo tres átomos de espesor de un semiconductor bidimensional, el disulfuro de molibdeno, depositada sobre un substrato con un gran coeficiente de expansión térmica. De este modo, al calentar el substrato, este se expande, y al enfriarlo, se contrae. Estas expansiones y contracciones del substrato se traducen en estiramientos y compresiones del disulfuro de molibdeno.

Al estirar el dispositivo, hemos conseguido aumentar su ancho de banda espectral y su sensibilidad. Al comprimirlo, su ancho de banda y sensibilidad disminuyen, pero el dispositivo se vuelve más rápido.

Este control del rendimiento del sensor de luz puede ser muy útil para ajustar su funcionamiento a diferentes condiciones de iluminación, de manera similar a la adaptabilidad del ojo humano. El ojo humano cambia su respuesta espectral y sensibilidad dependiendo de la iluminación.

Los sensores de luz adaptables pueden ser muy interesantes para la fabricación de cámaras capaces de adquirir imágenes en distintos rangos espectrales (por ejemplo, una cámara que pueda cambiar de modo convencional a fotografía infrarroja).

Este tipo de dispositivos resultarían muy atractivos en aplicaciones de inspección industrial de piezas y procesado, en la industria agroalimentaria para identificar daños en frutas y verduras o en aplicaciones biomédicas al permitir tomar imágenes de temperatura a pacientes.

Más velocidad

Estos primeros dispositivos deformatrónicos necesitan decenas de segundos para desarrollar la deformación aplicada, limitando la velocidad de funcionamiento del dispositivo.

Para conseguir más velocidad, hemos desarrollado unos actuadores –dispositivos capaces de transformar una señal eléctrica en un movimiento mecánico– microfabricados que permiten aplicar deformaciones de forma controlada en décimas de segundo. Este avance se ha publicado recientemente en la revista Nano Letters.

Hemos demostrado el funcionamiento de estos microactuadores de deformación creando un pequeño modulador óptico. Modulando la deformación aplicada a una monocapa de disulfuro de molibdeno, hemos comprobado cómo su reflectancia e índice de refracción cambian siguiendo la modulación de la deformación.

La deformatrónica ha llegado para quedarse. Estos primeros pasos en el diseño y fabricación de dispositivos deformatrónicos demuestran el potencial de este tipo de electrónica que permite aplicaciones que no son posibles con los dispositivos electrónicos convencionales.

Andres Castellanos-Gómez recibe fondos del European Research Council.

Fuente: The Conversation (Creative Commons)
Author: Andrés Castellanos-Gómez, Científico Titular (Ciencia de Materiales), Instituto de Ciencias Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)