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(noticias nanowerk) El carbón es un recurso abundante en los Estados Unidos que lamentablemente ha contribuido al cambio climático a través de su uso como combustible fósil. A medida que el país haga la transición hacia otras formas de producción de energía, será importante considerar y reevaluar el papel económico del carbón. Una iniciativa de investigación conjunta entre la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética, el Laboratorio Nacional Oak Ridge y la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company ha demostrado que el carbono puede desempeñar un papel fundamental en los dispositivos electrónicos de próxima generación.
Las tesis centrales
Investigación
«Por lo general, se piensa que el carbón es algo voluminoso y sucio, pero las técnicas de procesamiento que hemos desarrollado pueden transformarlo en materiales altamente puros que tienen solo unos pocos átomos de espesor», dijo Qing Cao, científico de materiales e ingeniero de la Universidad de I. y colíder de la Cooperación. «Sus estructuras y propiedades atómicas únicas son ideales para producir los dispositivos electrónicos más pequeños posibles con un rendimiento que supera el estado del arte».
Un proceso desarrollado por NETL convierte primero el carbono en discos de carbono a nanoescala llamados «puntos de carbono», que el grupo de investigación de la U. de I. ha demostrado que pueden unirse para formar membranas atómicamente delgadas para aplicaciones tanto en transistores bidimensionales como en memristores. , tecnologías que serán cruciales para construir dispositivos electrónicos más avanzados.
Estos resultados se publican en la revista. Ingeniería de Comunicaciones (“Dieléctrico de carbono amorfo cuasi-2D ultrafino fabricado a partir de una solución precursora para nanoelectrónica”).
Perfecto para electrónica 2D
En la búsqueda actual de dispositivos electrónicos más pequeños, más rápidos y más eficientes, el último paso serán los dispositivos fabricados con materiales de sólo uno o dos átomos de espesor. Es imposible que los dispositivos sean más pequeños que este límite y, debido a su pequeño tamaño, suelen funcionar mucho más rápido y consumir mucha menos energía. Si bien los semiconductores ultrafinos han sido ampliamente estudiados, también se requieren aislantes atómicamente delgados (materiales que bloquean las corrientes eléctricas) para construir dispositivos electrónicos que funcionen, como transistores y memristores.
Las capas de carbono atómicamente delgadas con estructuras atómicas desordenadas pueden servir como un excelente aislante para construir dispositivos bidimensionales. Los investigadores de la colaboración han demostrado que estas capas de carbono pueden formarse a partir de puntos de carbono derivados del carbón. Para demostrar sus capacidades, el grupo de la U. de I. liderado por Cao desarrolló dos ejemplos de dispositivos bidimensionales.
«Es realmente muy emocionante porque es la primera vez que el carbón, algo que normalmente consideramos de baja tecnología, está directamente relacionado con la tecnología de punta de la microelectrónica», dijo Cao.
dieléctrico de transistores
El grupo de Cao utilizó capas de carbono derivadas del carbono como puerta dieléctrica en transistores bidimensionales construidos sobre grafeno semimetálico o disulfuro de molibdeno semiconductor para permitir que los dispositivos operaran a más del doble de velocidad mientras usaban menos energía. Al igual que otros materiales atómicamente delgados, las capas de carbono derivadas del carbón no tienen «enlaces colgantes» o electrones que no estén asociados con un enlace químico. Estos sitios, que abundan en la superficie de los aisladores tridimensionales tradicionales, alteran sus propiedades eléctricas actuando efectivamente como «trampas», ralentizando el transporte de cargas móviles y, por tanto, la velocidad de conmutación del transistor.
Sin embargo, a diferencia de otros materiales atómicamente delgados, las nuevas capas de carbono obtenidas del carbón son amorfas, lo que significa que no tienen una estructura cristalina regular. Por lo tanto, no tienen límites entre diferentes áreas cristalinas que sirven como rutas de conducción y dan como resultado «fugas» donde corrientes eléctricas no deseadas fluyen a través del aislante y causan un consumo de energía adicional significativo durante el funcionamiento del dispositivo.
filamento memristor
Otra aplicación que consideró el grupo de Cao son los memristores, componentes electrónicos que pueden almacenar y procesar datos para mejorar significativamente la implementación de la tecnología de IA. Estos dispositivos almacenan y muestran datos modulando un filamento conductor formado por reacciones electroquímicas entre un par de electrodos y el aislante colocado entre ellos.
Los investigadores descubrieron que el uso de capas de carbono ultrafinas derivadas del carbono como aislante permite la formación rápida de dichos filamentos con bajo consumo de energía para permitir el funcionamiento del dispositivo a alta velocidad con bajo consumo de energía. Además, los anillos de tamaño atómico en estas capas de carbono derivadas del carbón confinan el filamento para mejorar el funcionamiento reproducible del dispositivo, mejorando así la precisión y confiabilidad del almacenamiento de datos.
De la investigación a la producción
Los nuevos dispositivos desarrollados por el grupo Cao proporcionan una prueba de principio para el uso de capas de carbono derivadas del carbón en dispositivos bidimensionales. Lo que queda es demostrar que estos dispositivos pueden fabricarse a gran escala.
«La industria de semiconductores, incluida nuestra gente en Taiwan Semiconductor, está muy interesada en las capacidades de los dispositivos bidimensionales y estamos tratando de cumplir esa promesa», dijo Cao. «Durante los próximos años, la U. de I. continuará trabajando con NETL para desarrollar un proceso de fabricación de aisladores de carbono a base de carbono que pueda implementarse en entornos industriales».
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