Físicos Convierten un Cristal en un Circuito Eléctrico

Físicos de la Universidad Estatal de Washington han encontrado una forma de escribir un circuito eléctrico en un cristal, abriendo la posibilidad de una electrónica transparente y tridimensional que, como un Etch A Sketch, puede borrarse y reconfigurarse.

El trabajo, que aparecerá en la revista en línea Scientific Reports, sirve como prueba de concepto de un fenómeno que los investigadores de la WSU descubrieron por primera vez por accidente hace cuatro años. Por aquel entonces, un estudiante de doctorado descubrió que la conductividad eléctrica de un cristal se multiplicaba por 400 simplemente dejándolo expuesto a la luz.

Matt McCluskey, profesor de física y ciencia de los materiales de la WSU, ha utilizado ahora un láser para grabar una línea en el cristal. Con contactos eléctricos en cada extremo de la línea, llevó una corriente.

"Esto abre un nuevo tipo de electrónica en la que se puede definir un circuito ópticamente y luego borrarlo y definir uno nuevo", dijo McCluskey. "Es emocionante que sea reconfigurable. También es transparente. Hay ciertas aplicaciones en las que sería estupendo tener un circuito que estuviera en una ventana o algo así, donde realmente es una electrónica invisible".

Normalmente, un cristal no conduce la electricidad. Pero cuando el cristal de titanato de estroncio se calienta bajo las conducciones adecuadas, se altera para que la luz lo haga conductor. El fenómeno, llamado "fotoconductividad persistente" también se produce a temperatura ambiente, lo que supone una mejora respecto a los materiales que requieren refrigeración con nitrógeno líquido.

Imagen: Los investigadores de la WSU utilizaron la luz para escribir una ruta eléctrica conductora en un cristal. Esto abre la posibilidad de una electrónica transparente y tridimensional que, como un Etch A Sketch, puede borrarse y reconfigurarse. A la izquierda, una fotografía de una muestra con cuatro contactos metálicos. A la derecha, una ilustración de un láser que dibuja una trayectoria conductora entre dos contactos.

"Todavía estamos tratando de averiguar qué ocurre exactamente", dijo McCluskey. Supone que el calor obliga a los átomos de estroncio a abandonar el material, creando defectos sensibles a la luz responsables de la persistente fotoconductividad.

El reciente trabajo de McCluskey multiplicó por mil la conductividad del cristal. El fenómeno puede durar hasta un año.

"Observamos muestras que expusimos a la luz hace un año y siguen conduciendo", dijo McCluskey. "Puede que no conserven el 100% de su conductividad, pero es bastante grande".

Además, el circuito puede borrarse calentándolo en una placa caliente y volviéndolo a fundir con un bolígrafo óptico.

"Es un Etch A Sketch", dijo McCluskey. "Lo hemos hecho en unos cuantos ciclos. Otro reto de ingeniería sería hacerlo miles de veces".

La investigación fue financiada por la National Science Foundation. Los coautores del trabajo son los ex alumnos Violet Poole y Slade Jokela.

El trabajo está en consonancia con los Grandes Retos de la WSU, un conjunto de iniciativas destinadas a abordar grandes problemas de la sociedad. Es especialmente relevante para el reto de los sistemas inteligentes y su tema de los materiales fundacionales y emergentes.

Noticias de la Universidad Estatal de Washington:

 https://news.wsu.edu/2017/07/27/wsu-physicists-write-light-turn-crystal-electrical-circuit/

Los materiales con fotoconductividad persistente (PPC) experimentan un aumento de la conductividad al exponerse a la luz que persiste después de apagarla. Aunque los investigadores han demostrado que este fenómeno podría aprovecharse para crear nuevos dispositivos de almacenamiento de memoria, se requerían bajas temperaturas (por debajo de 180 K). En el presente trabajo, se realizaron mediciones de resistencia de dos puntos en monocristales de titanato de estroncio (SrTiO₃, o STO) recocidos a temperatura ambiente. Tras la iluminación con luz subgálica, la resistencia disminuyó en tres órdenes de magnitud. Esta conductividad notablemente mejorada persistió durante varios días en la oscuridad. Los resultados de la espectroscopia IR, las mediciones eléctricas y la exposición a un láser de 405 nm sugieren que la resistencia de contacto desempeña un papel importante. A continuación, el láser se utilizó como "bolígrafo óptico" para escribir una ruta de baja resistencia entre dos contactos, demostrando la viabilidad de la electrónica transparente definida ópticamente. 

Utilización de la fotoconductividad persistente para escribir un camino de baja resistencia en SrTiO₃ . Violet Poole, Slade Jokela y Mathew McCluskey

Artículo: https://www.nature.com/articles/s41598-017-07090-2#Abs1