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El Instituto de Tecnología de Georgia creó el primer semiconductor funcional fabricado a partir de grafeno, un material 2D a base de carbono. El descubrimiento se ha descrito en detalle en un momento en el que el suministro de silicio está disminuyendo y la demanda mundial de productos electrónicos está creciendo. Naturalezapodría ayudar a abordar la escasez de materiales y abrir la puerta a nuevos procesos de fabricación.
Una oblea de carburo de silicio monocristalina cortada en chips cuadrados. Fuente de la imagen: Instituto de Tecnología de Georgia
Los semiconductores son esenciales para las tecnologías electrónicas porque son materiales que conducen la electricidad bajo ciertas condiciones.
Walter de Heer, profesor Regents de Física en Georgia Tech, dirigió un equipo de investigadores de Atlanta, Georgia y Tianjin, China, para desarrollar un semiconductor de grafeno que sea compatible con los métodos de procesamiento microelectrónico convencionales, imprescindible para cualquier alternativa viable al silicio.
de Heer y sus colegas han superado un obstáculo importante que ha paralizado la investigación del grafeno durante décadas y ha llevado a muchos a creer que la electrónica del grafeno nunca funcionará. Por primera vez, se ha informado en el grafeno de una “banda prohibida”, una propiedad eléctrica importante que permite que los semiconductores se enciendan y apaguen.
Ahora tenemos un semiconductor de grafeno extremadamente robusto con diez veces la movilidad del silicio, que además tiene propiedades únicas que el silicio no ofrece. Pero la historia de nuestro trabajo durante la última década ha sido: «¿Podemos conseguir que este material sea lo suficientemente bueno para funcionar?»
Walter de Heer, Profesor Regents, Física, Instituto de Tecnología de Georgia
Un nuevo tipo de semiconductor
Al principio de su carrera, de Heer comenzó a estudiar materiales basados en carbono como posibles semiconductores. En 2001, reconoció el potencial del grafeno en la electrónica y cambió al grafeno 2D.
de Heer comentó: “Nuestra motivación era la esperanza de introducir tres propiedades especiales del grafeno en la electrónica. Es un material extremadamente robusto que puede soportar corrientes muy grandes sin calentarse ni romperse.«
Cuando de Heer y sus colegas descubrieron cómo utilizar hornos especiales para producir grafeno en obleas de carburo de silicio, lograron avances significativos. Crearon una única capa llamada grafeno epitaxial que se forma en la superficie del cristal de carburo de silicio. Los investigadores descubrieron que cuando se sintetizaba adecuadamente, el grafeno epitaxial formaba un enlace químico con el carburo de silicio y comenzaba a exhibir propiedades semiconductoras.
Continuaron perfeccionando el material durante la siguiente década, primero en Georgia Tech y luego en colaboración con colegas de la Universidad de Tianjin en el Centro Internacional de Nanopartículas y Nanosistemas de Tianjin en China. Junto con Lei Ma, directora del centro y coautora del estudio, de Heer fundó el centro en 2014.
El dispositivo de grafeno del equipo creció en un chip de sustrato de carburo de silicio. Fuente de la imagen: Instituto de Tecnología de Georgia
¿Cómo hiciste eso?
En su estado natural, el grafeno es un semimetal, no un metal ni un semiconductor. Todos los transistores y la electrónica de silicio funcionan aplicando un campo eléctrico a una sustancia con banda prohibida, encendiendo y apagando el material. El mayor desafío en el desarrollo de la electrónica del grafeno fue encender y apagar el grafeno para que funcione como el silicio.
Además, se requiere una manipulación significativa de un material semiconductor para producir un transistor funcional, lo que podría degradar las propiedades del semiconductor. Los investigadores querían evaluar las propiedades eléctricas de la plataforma sin causar daños para demostrar que podría funcionar como un semiconductor viable.
Al dopar grafeno para permitirle «donar» electrones al sistema, el equipo pudo probar si la conductividad era eficiente. Las propiedades del material no se vieron afectadas durante el procesamiento.
Según los resultados del equipo, la movilidad de su semiconductor de grafeno es diez veces mayor que la del silicio. En otras palabras, existe una resistencia extremadamente baja entre los electrones y su movimiento, lo que conduce a cálculos más rápidos en electrónica.
de Heer explicó además: “Es como conducir por un camino de grava en comparación con conducir por una autopista. Es más eficiente, no se calienta tanto y permite velocidades más altas para que los electrones puedan moverse más rápido.«
Con propiedades eléctricas significativamente mejores que cualquier otro semiconductor bidimensional en desarrollo, el producto del equipo es ahora el único semiconductor bidimensional con todas las características necesarias para su uso en nanoelectrónica.
Un problema de larga data en la electrónica del grafeno es que el grafeno no tenía la banda prohibida adecuada y no podía encenderse y apagarse en la proporción correcta. A lo largo de los años, muchos han intentado solucionar este problema utilizando diversos métodos. Nuestra tecnología alcanza la banda prohibida y es un paso crucial en la realización de la electrónica basada en grafeno.
Lei Ma, profesora, Universidad de Tianjin
Avanzar
Con sus propiedades especiales, el grafeno epitaxial tiene el potencial de revolucionar la electrónica y abrir la puerta a tecnologías completamente nuevas. El material permite el uso de las propiedades ondulatorias de la mecánica cuántica de los electrones, que son necesarias para la computación cuántica.
“Nuestra motivación para hacer electrónica con grafeno estuvo ahí durante mucho tiempo, y el resto fue simplemente hacerlo realidad. Tuvimos que aprender a manejar el material, hacerlo cada vez mejor y finalmente medir las propiedades. Eso tomó mucho, mucho tiempo.“, explicó de Heer.
de Heer afirma que la llegada de otra generación de electrónica no es nada inusual. Los cables y los telégrafos existieron antes que el silicio, y los tubos de vacío existieron antes. En la historia de la electrónica, el silicio es sólo un paso adelante; El grafeno podría ser el siguiente.
de Heer concluyó: “Para mí, esto es como un momento de los hermanos Wright. Construyeron un avión que podía volar 300 pies en el aire. Pero los escépticos se preguntaron por qué el mundo necesitaba vuelos cuando ya existían trenes y barcos rápidos. Pero persistieron y fue el comienzo de una tecnología que puede llevar a las personas a través de océanos..”
Investigadores de Georgia Tech desarrollan el primer semiconductor funcional de grafeno
Crédito del vídeo: Chris McKenney
Referencia de la revista:
Zhao, J., et. Alabama. (2023) Grafeno epitaxial semiconductor de alta movilidad sobre carburo de silicio. Naturaleza. doi:10.1038/s41586-023-06811-0.
Fuente: https://gatech.edu/
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