Componentes electrónicos

El procesador es una parte del computador compuesto por una gran cantidad de transis tores. Hay dos aspectos importantes que deben considerarse con respecto a los transis tores: primero, su tamaño, que se ha ido reduciendo con el paso de los años a la vez que su rendimiento es cada vez mayor. Desde el 2000, cuando tenían un tamaño de 180 nm, alcanzaron tamaños de 2,5 nm en el 2018 y se espera que en un futuro sean aún más peque ños (Matheson, 2018; Saracco, 2019; Webedia Branded Content Team, 2019), aunque, en la práctica, los computadores actuales utilizan transistores de 14 nm. El segundo aspecto es el conocido como la ley de Moore (^{Moore, 1965}), la cual postula que el número de transistores que caben en un circuito integrado se dobla cada 18 meses; esta ley, inicial mente aplicada entre 1965 y 1975, sigue siendo representativa para la empresa Intel, cuyos representantes aseguran que se seguirá cumpliendo hasta el 2023, con la lógica reducción de costos. Un ejemplo del funcionamiento de esta ley es el procesador Intel Core i9 del 2017, el cual contenía 2.600 millones de transistores. El objetivo final en este campo es la reducción cada vez mayor del tamaño de los transistores y la consiguiente disminución del consumo de energía.

Componentes magnéticos

Además de los componentes eléctricos, un computador está compuesto por muchos elemen tos magnéticos: desde el disco duro hasta el ventilador del computador funcionan a partir de materiales magnéticos. Todo lo relativo a la grabación, la lectura y el almacenamiento de datos se hace por medios magnéticos. Con respecto a la grabación magnética, la primera propiedad que se busca es que la información guardada sea mucha y utilice poco espacio. La otra propiedad deseable es que la información se mantenga con los años y que no se borre fácilmente. El objetivo es que los componentes magnéticos sean cada vez más pequeños, que almacenen cada vez más información y que esta no se borre fácilmente. En la tabla 1 se relacionan las ventajas de utilizar las componentes magnéticas y las com ponentes eléctricas en un computador.

Tabla 1 Ventajas de las propiedades magnéticas y eléctricas en los computadores 

Objetivo principal de la espintrónica

Los componentes eléctricos utilizan la carga del electrón, en tanto que los componentes magnéticos utilizan el espín del electrón. El objetivo principal de lo que se conoce como espintrónica es combinar lo mejor del aspecto eléctrico y del aspecto magnético del electrón de forma tal que se puedan obtener efectos novedosos y diferentes que los de la electrónica convencional. Se trata de usar el grado de libertad que tiene el espín en corrientes polarizadas buscando que el electrón utilice su carga y su espín al mismo tiempo para reducir el número de componentes necesarios en un computador. En otras palabras, tener en un solo componente la información magnética guardada y, además, que se mueva a la velocidad de la carga del electrón.

Semiconductores

La conductividad eléctrica de diferentes materiales se puede explicar con base en la teoría de bandas, la cual describe la estructura electrónica como una estructura de bandas de energía. Esta teoría se basa en que los orbitales de un átomo se solapan, y cuando los átomos son muchos, se forman bandas continuas de energía: tenemos la banda de valencia (BV), ocupada por los electrones de valencia, los cuales no ayudan en la conducción, y la banda de conducción (BC), ocupada por los electrones libres responsables de la corriente (Figura 1A). Los materiales se clasifican según su resistividad en conductores, semiconductores y aislantes.

Figura 1 A). Población de las bandas de Valencia (BV) y Bandas de Conducción (BC) de un semiconductor. B). Estructura del MOSFET: puerta (G), sustrato (B), fuente (S) y drenador (D). El sustrato es el semiconductor. 

Los semiconductores son elementos que se comportan como conductores o aislantes dependiendo de diferentes condiciones externas como la temperatura y los campos eléc tricos. En los semiconductores la BV y la BC se encuentran separadas por una barrera de energía pequeña. En el estado aislante la BV se encuentra llena y la BC está vacía y se comporta como conductor cuando algunos electrones pasan a ella. Esta situación se puede alcanzar dopando el material con otro que ayude a reducir la barrera entre las bandas, y que algunos electrones puedan ubicarse en la BC; además, si se aplica una diferencia de potencial (V) aparece una corriente. Este es el principio fundamental para fabricar transistores que, como el que se muestra en la figura 1B, se conocen como transistores MOSFET (Metal-oxide-semiconductor Field-Effect Transistor). El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados fuente (S, de Source), drenador (D de Drain), puerta (G de Gate) y sustrato (B de Bulk) (^{Quesada, et al., 2007}). Este tipo de transistor se utiliza para amplificar señales electrónicas y es muy común en la industria microelectrónica y en los computadores. En el transistor MOSFET hay una corriente entre S y D debida al voltaje, pero la puerta G permite o no el paso de dicha corriente. A cada estado se le asignan los valores de 0 y 1, es decir, una información binaria en la que 0 es el aislante y 1 el conductor. El conductor realiza muchas operaciones por segundo, pero la información es volátil, así que es necesario aplicar un voltaje para mantenerla almacenada en el dispositivo, lo que implica consumo de energía para obtener la información, y esto acarrea un costo.

Materiales magnéticos

El magnetismo de los materiales como el Fe se debe al espín de los electrones. Depen diendo de la manera como se acoplen los espines, los materiales magnéticos se clasifican en ferromagnéticos, antiferromagnéticos y otros. Los materiales ferromagnéticos con alta anisotropía magnética uniaxial (dirección preferencial de magnetización) tienen dos direcciones posibles de magnetización: para espínes de V valor estas son arriba o abajo, lo que ofrece la posibilidad de almacenamiento binario, 0 hacia arriba y 1 hacia abajo (Figura 1S,https://www.raccefyn.co/index.php/raccefyn/article/view/1130/2805). Un disco duro de computador graba la información y esta permanece guardada, en consecuencia, hay un bajo consumo de energía, pero la velocidad de grabado y de lectura es lenta.

Materiales espintrónicos

En los computadores, los semiconductores se encargan de organizar la información y los materiales magnéticos la almacenan. Los semiconductores magnéticos unen las dos pro piedades en un solo dispositivo, de tal manera que sean rápidos, consuman poca energía y guarden la información. Al utilizar las dos propiedades, se almacena la información de forma permanente y rápida, lo que solo es posible si un mismo electrón es el responsable de la conducción (carga, q) y de la magnetización (espín, s). Si en un material magnético que genere corrientes polarizadas de espín (corriente de electrones), es decir, con el espín orientado en una dirección, se usa un filtro de espín (solo pasan corrientes en una dirección determinada de espín), ello permitiría tener la información magnética a través de una medida eléctrica, lo que implica que sería un proceso rápido.

ZnO dopado con Fe preparado por aleamiento mecánico

En este apartado se presenta un resumen de los resultados obtenidos y publicados en el estudio del comportamiento estructural y magnético de ZnO dopado con Fe por aleamiento mecánico (Piamba, et al., 2012; ^{Zamora, et al., 2015}; ^{Casanova, et al., 2018}). Se ensayaron tres rutas diferentes: 1) variando la concentración del dopante en porcentaje atómico; 2) dejando la concentración constante y variando el tiempo de molienda, y 3) dejando la concentración y el tiempo de molienda constantes y variando la RPB. Para la preparación de las muestras que fueron estudiadas se utilizaron polvos de alta pureza de ZnO y a-Fe, los cuales se mezclaron con la composición nominal deseada en porcentaje atómico y, posteriormente, aleados en un molino planetario de bolas. Las muestras se caracterizaron mediante difracción de rayos X (DRX), espectrometría Mössbauer (EM) y magnetometría de muestra vibrante (VSM).

Variación de la concentración de Fe agregada a ZnO

El sistema estudiado fue el ZnO_1-xFe_x, con x = 0,03, 0,05 y 0,1 (3, 5 y 10 % de Fe, respectivamente). La relación entre el peso de bolas y el de elementos (RPB) fue de 15:1, con un tiempo de molienda de 36 horas. De los patrones de difracción de rayos-x (Figura 4A), y después de hacer los refinamientos con el método de Rietveld, se comprobó que el sistema con x = 0,03 presentaba la fase hexagonal wurtzita del ZnO, con parámetros de red de a = 3.260 Å y c = 5.200 Å y un tamaño medio de cristalito de ~ 18 nm. Para x = 0,05 y x = 0,10, además de la wurtzita del ZnO, con parámetros de red similares a los de x=0,03, se obtuvo la fase de tipo bcc del α-Fe con un parámetro de red de a = 2.885 Å, y tamaños medios de cristalito de ~93 nm y ~11 nm para las muestras con x = 0,05 y x = 0,10, respectivamente. El espectro Mössbauer (Figura 4B) para x = 0,03 se ajustó con dos dobletes, el primero con valores de desvío isomérico de ISO~0,280 mm/s, desdoblamiento cuadrupolar de QUA~ 0,690 mm/s y ancho de línea de r 0,52 mm/s, asociado al Fe³⁺; y el segundo con valores ISO~0,925 mm/s, QUA ~1,52, y Γ de 0,81 mm/s, asociado al Fe²⁺, en concordancia con los parámetros reportados en la literatura (Murad & Cashion, 2004; ^{Lin, et al., 2007}). Los espectros Mössbauer para las muestras con x = 0,05 y = 0,10 se ajustaron con tres componentes, dos dobletes anchos y una distribución de campo. Los dos dobletes obtenidos para las muestras tuvieron parámetros Mössbauer medios muy similares a los obtenidos para la muestra con x = 0,03, por lo que correspondían a los sitios de Fe⁺³ y Fe⁺², y la distribución de campo se asoció al α-Fe. Este resultado con espectrometría Mössbauer está en concordancia con los resultados obtenidos mediante DRX. Los anchos de línea estuvieron por encima de 0,4 mm/s, lo que evidenció que esta muestra apareció desordenada como consecuencia del alto tiempo de molienda (36 horas) y por la distribución de los tamaños de los cristalitos. En todas las muestras se encontró Fe³⁺ y Fe²⁺, a diferencia de los reportes de autores que han reportado que los iones de Zn²⁺ son sustituidos únicamente por Fe²⁺ (Zhang, et al., 2007), y de otros que han reportado la sustitución del Fe únicamente como Fe³⁺ (Elilarassi, et al., 2017). Los variados resulta dos reportados para el sistema ZnO dopado con Fe se deben a los diferentes procesos de preparación de las muestras, incluida la molienda mecánica, que tienen muchos paráme tros que deben tenerse en cuenta. Para x = 0,05 y 0,10 solo una parte de los átomos de Fe se introdujeron en la red de ZnO, los otros quedaron segregados dentro de la muestra. Los espectros Mössbauer para diferentes tiempos de molienda de este sistema fueron reporta dos por ^{Zamora, et al. (2015}) como se resume en la siguiente sección.

Variación de las horas de molienda y mantenimiento de la misma composición

En la segunda parte de la investigación se hizo la molienda con una concentración de 10 % de Fe y una relación RPB de 15:1 y se variaron las horas de molienda (6h, 12h, 24h, 36h y 99h). Tanto los patrones de rayos X como los espectros Mössbauer fueron similares a los mostrados en la figura 4 para x = 0,1 (^{Zamora, et al, 2015}). Después del refinamiento de los patrones de rayos X en todas las muestras se evidenciaron las estructuras wurtzita del ZnO y la bcc de la α-Fe.

Figura 4 A) Espectros de rayos X para las muestras con x=0.03, 0.05 y 0.1. B) Espectros Mössbauer para x=0.03, 0.05 y 0.1 (____ α-Fe, ____Fe³⁺, ____Fe²⁺) 

Los espectros Mössbauer se ajustaron con tres componentes: una fase ferromagnética asociada con la α-Fe y dos sitios paramagnéticos asociados con los átomos de Fe que penetran dentro de la matriz de ZnO, comportándose como Fe³⁺ y Fe²⁺, comportamiento similar al mostrado en la sección anterior para x = 0,1. Al analizar el comportamiento de las áreas espectrales en los ajustes de los espectros Mössbauer, se demostró que a medida que aumentan las horas de molienda, el área total de las fases paramagnéticas también lo hace, en tanto que el área de la fase magnética disminuye, lo que indica que el Fe se va introduciendo dentro de la matriz de ZnO; también se observó que a partir de 24 horas esta área ya no cambia, lo que indica que una molienda de más de 24 horas no permite que el Fe penetre más dentro de la ZnO.

En la figura 5A se muestran las medidas de ciclos de histéresis obtenidas por VSM. Al analizarlas, presentaron campos coercitivos típicos de materiales magnéticos semiblandos, que van desde 330 a 585 Oe. El campo coercitivo obtenido en las muestras utilizando un VSM fue mayor que el obtenido para el Fe, el cual fue menor de 12 Oe, lo que se explica por el tamaño nanométrico de los cristalitos que se obtuvieron como producto del proceso de molienda. Este tamaño hace que el número de dominios magnéticos dentro del grano sea menor, endureciendo así el material. Las medidas de resistencia en función de la temperatura se muestran en la figura 5B, con un comportamiento típico de un semiconductor, es decir, cuando el Fe sustituye al Zn la estructura de bandas no se modifica considerablemente y la banda de valencia continúa separada de la banda de conducción. Se puede decir que a temperatura ambiente y a bajas temperaturas, los materiales son ferromagnéticos débiles y semiconductores.

Figura 5 A) Ciclos de histéresis. B) Resistividad en función de la temperatura; para Zn_0.9Fe_0.1O, variando las horas de molienda. 

Variación de la relación RPB

Teniendo en cuenta que al variar la concentración y las horas de molienda no se logró introducir todo el Fe dentro de la matriz de ZnO, se decidió variar la relación RPB, es decir, aumentar la energía sobre el sistema. Este estudio se realizó para x = 0,1 y 24 horas de molienda, en tanto que los valores de RPB escogidos fueron de 15:1, 20:1, 25:1 y 30:1. Todos los patrones de rayos X y los espectros Mössbauer para estas muestras fueron similares a los mostrados en la figura 4.

En los refinamientos de los patrones de rayos X se encontró que todas las muestras presentaban solamente la estructura wurtzita, excepto la de 15:1, a la cual fue necesario adicionar la estructura del Fe. El tamaño medio de los cristalitos encontrados estuvo alrededor de 100 Å. En la figura 6 se presenta la estructura de la muestra aleada con una RPB de 30:1, la cual se obtuvo con el programa VESTA (^{Izumi, 2007}). Para la obtención de la estructura con dicho programa, se utilizó la última iteración del refinamiento con el método Rietveld obtenida con el programa GSAS, la cual permite obtener las fracciones de ocupación de los sitios de Zn y O. En la figura 6 se ve que el Zn tiene una franja triangular amarilla asociada con la posible ocupación por Fe, en tanto que no hay probabilidad de sustituir los oxígenos, aunque sus átomos presentan también una franja triangular clara que se asoció con sus vacancias. Esto también se explica porque los tamaños iónicos del Fe²⁺, Fe³⁺ y Zn²⁺ son similares (77, 65 y 75 pm, respectivamente). Los átomos de Zn están rodeados por 4 átomos de oxígeno, con una estructura tetraédrica, y el Zn tiene una probabilidad del 10 % de ser ocupado por átomos de Fe según el resultado del refinamiento del patrón de difracción y en concordancia con la franja clara de sustitución del Zn por el Fe de la figura 6. Los iones O^2- tienen tamaños iónicos de 140 pm y, si fuesen sustituidos por iones de Fe, implicaría una gran disminución de los parámetros de red, lo cual no se observó mediante DRX.

Figura 6 Diagrama esquemático de la estructura cristalina de (Zn_0.9Fe_0.1)O con RPB 30:1. 

Los espectros Mössbauer se ajustaron con dos dobletes correspondientes a Fe³⁺ y Fe²⁺, excepto para la relación de 15:1, en la cual fue necesario un sextete adicional asociado con el Fe segregado dentro de la muestra, es decir, el Fe que no alcanzó a penetrar y disolverse en la matriz de ZnO. Al aumentar la RPB, se logró que todo el Fe se introdujera dentro de la matriz de ZnO. Las medidas de magnetización (VSM) revelaron un comportamiento magnético a temperatura ambiente. En la muestra con RPB de 15:1, el magnetismo se debió al Fe segregado, y en las otras muestras se adoptó el modelo de polarones para explicarlo. En este estudio, los difractogramas de rayos X y los espectros Mössbauer no se presentan, pero se reportan en ^{Casanova, et al. (2018}) y, además, son similares a los presentados en la figura 4 para x = 0,03.

Sobre el modelo de polarones: en las muestras con RPB ≥ 20:1, los átomos de Fe fueron solubles dentro de la matriz de ZnO. Además, esta observación sugiere que a temperatura ambiente los iones de Fe en la estructura de ZnO no presentan un orden magnético (son dobletes). En las medidas de VSM todas las muestras presentaron un comportamiento ferromagnético sin ninguna dependencia progresiva con el aumento de los valores de RPB. Las curvas M-H en las muestras con RPB igual o mayor a 20:1 parecen ser contrarias a los espectros Mössbauer. Este comportamiento es similar al reportado por varios autores (^{Fan, et al., 2010}; ^{Lin, et al., 2007}; ^{Beltrán, et al., 2015}; ^{Mishra, et al., 2010}). El origen de esta discrepancia está aún sin resolver y se han propuesto varios modelos para explicar este comportamiento. ^{Lin, et al. (2007)} consideraron que la diferencia se explicaba por un proceso de relación espín-red y ^{Mishra & Das (2010)} propusieron que se debía al tiempo de escala de medida entre ambas técnicas (~100 s para magnetización y ~10^-8 s para espectroscopía Mössbauer). En muestras preparadas en películas delgadas el magnetismo se explica por la acumulación de Fe en las fronteras de grano (Boris, et al., 2013; Protasova, et al., 2014).

Después del refinamiento de los difractogramas con el método de Rietveld, se encon tró que en todos ellos los sitios correspondientes a los átomos de O presentaban una frac ción de ocupación menor a 1, lo que indica que existen vacancias de O, tal como lo ilustra la franja triangular clara de la figura 6; por ese motivo se propone el modelo para explicar el magnetismo ilustrado en la figura 7. Este modelo se postula con base en la propuesta del polarón magnético ligado (PML) hecha por ^{Torrance, et al. (1972)} utilizada luego por ^{Coey, et al. (2005)} para explicar el ferromagnetismo de nitruros magnéticos diluidos. En la figura 7 se ilustra cómo los electrones de conducción ocupan los huecos del oxígeno y como los dos próximos vecinos de Fe son polarizados antiparalelamente a estos electrones de forma que los espines de Fe se alinean paralelamente entre sí. Estos espines afectan su entorno y crean una región de influencia llamada polarón; además, debido al desorden inducido por la molienda, diferentes tipos y tamaños de polarones se forman y pueden percolar para pro ducir un orden ferromagnético. El fenómeno colectivo se detecta mediante VSM, pero no con espectroscopia Mössbauer, ya que las medidas de magnetización detectan el momento magnético medio por unidad de volumen de los polarones, en tanto que la espectroscopia Mössbauer detecta la interacción local entre los momentos magnéticos de los átomos de Fe con el campo interno en su posición, el cual no existe debido a la gran separación entre los pares de átomos de Fe alineados por los electrones de conducción.

Figura 7 Dibujo esquemático de la percolación de los plasmones de diferentes tamaños.