En el blog también se publicarán contribuciones de investigación con impacto en la informática actual. Hoy consideramos el grafeno, un material de propiedades sorprendentes. Los científicos que lo aislaron por primera vez recibieron el Premio Nobel de Física en el año 2010. En este artículo se analiza el uso del grafeno para desarrollar dispositivos microelectrónicos.
FRANCISCO GUINEA / MAR GARCÍA-HERNÁNDEZ
La investigación en grafeno, una red de átomos de carbono que conforman un panal de abeja del grosor correspondiente a un solo átomo de carbono, ha progresado rápidamente a partir de su aislamiento en 2004. Andre Geim y Kostya Novoselov de la Universidad de Manchester. lograron separar una lámina monoatómica de grafeno, arrancándola de un material tan común como el grafito, presente en cualquier lápiz. La motivación inicial que impulsó esta investigación fue la reducción de las dimensiones de los componentes de circuitos electrónicos, dictada por la necesidad de disponer de dispositivos electrónicos cada vez más pequeños.
Las reducción del tamaño de
dispositivos tan habituales como los ordenadores, teléfonos móviles etc.. es el resultado de un gran esfuerzo de investigación en la ingeniería de láminas ultradelgadas y la búsqueda de nuevos materiales con propiedades muy optimizadas. El grafeno, el material más delgado conocido y un excelente conductor eléctrico, resulta muy atractivo para incorporarlo en numerosos componentes electrónicos. La figura de mérito que se usa para determinar la calidad metálica, la movilidad por portador de carga, es comparable a la de componentes basados en silicio usados comúnmente en la fabricación de dispositivos electrónicos. Por esta razón, equipos del mundo entero están diseñando muchos tipos de circuitos y han demostrado que los contactos entre grafeno y cables metálicos son excelentes; también se experimenta con “puntos cuánticos” de grafeno (circuitos extremadamente pequeños) de dimensiones menores que los conseguidos a partir de otros materiales.
Vídeo que describe el grafeno y sus propiedades.
Uno de los problemas que plantea el grafeno es que es un semimetal en el cual siempre que se aplica un potencial eléctrico se produce una corriente eléctrica y carece de una propiedad que encontramos en los semiconductores ( el “gap”). En términos prácticos, esto se traduce en que en el grafeno no es posible aplicar un voltaje que impida el movimiento de portadores de carga (no tiene un “gap”), lo que impide la fabricación de transistores a corriente continua, que son un componente básico de cualquier circuito electrónico. Afortunadamente, este inconveniente se refiere a una sola capa de grafeno y cuando la corriente eléctrica se propaga en dos capas (bicapa) de grafeno superpuestas, éstas tienen propiedades diferentes, y, en principio, se puede crear un “gap”, convirtiendo a la doble capa de grafeno en un material semiconductor. La posibilidad de contar con grafeno de excelentes propiedades metálicas y bicapas de grafeno semiconductoras nos lleva a imaginar circuitos electrónicos de grafeno como material base, casi continuos, que no requerirían contactos metálicos adicionales.
El diseño de transistores basados
en estos materiales fue muy lento al principio, en gran parte debido a que estos dispositivos son muy sensibles al desorden atómico. Nuevas técnicas (la encapsulación en láminas de otros materiales) han permitido recientemente solucionar este problema. Hay ya resultados experimentales, de la Escuela Politécnica Federal (Zürich), la Universidad de Delft (Países Bajos) y otros laboratorios, que hacen pensar que las bicapas de grafeno se podrán usar en microelectrónica a medio plazo.
La imposibilidad de modular una corriente continua en el grafeno de una sóla capa no implica que no se puedan fabricar transistores que funcionan con corriente alterna. Estos dispositivos se utilizan en la transmisión de datos y en sensores, y existen ya prototipos próximos a aplicaciones comerciales, desarrollados en los laboratorios de investigación de la IBM y en el MIT (Cambridge, Massachussetts), entre otros. La introducción de estos elementos en microprocesadores multiplicaría por mil la velocidad a la que operan nuestros ordenadores.
El avance más reciente en la aplicación del grafeno a la microelectrónica ha sido la fabricación de dispositivos donde dos o más capas de grafeno se mantienen separadas por capas de nitruro de boro, que es un material que no conduce la electricidad y del que se pueden fabricar capas cuyo espesor puede ser de hasta un átomo, como en el caso del grafeno. En estos dispositivos, “heteroestructuras verticales”, se puede estudiar el transporte de la corriente eléctrica en la dirección vertical, perpendicular a la lámina del grafeno. Los primeros experimentos, en la Universidad de Manchester, demostraron que se pueden fabricar transistores de muy buena calidad. Más recientemente (en mayo de este año) un equipo de la empresa Samsung ha publicado las medidas realizadas con transistores con características comparables a los transistores de silicio, y que se pueden integrar en dispositivos ya existentes. Esto augura un recorrido muy largo del grafeno en el campo de la microelectrónica.
Francisco Guinea y Mar García-Hernández son profesores de investigación del CSIC.
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Publicado por: Efini | 20/09/2012 22:39:45
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Publicado por: Siempe Presente | 20/09/2012 18:28:40