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Si bien el grafeno promete una mayor eficiencia y rendimiento para la electrónica, las imitaciones de materiales han impedido hasta ahora que nadie convierta su potencial en un semiconductor funcional.
Semiconductor de grafeno. Imagen cortesía de Georgia Tech
En una investigación innovadora en Georgia Tech, los científicos han creado el primer semiconductor de grafeno exitoso del mundo.
Grafeno: un semimetal
El grafeno se conoce desde hace mucho tiempo como un material con propiedades eléctricas excepcionales, incluida una alta movilidad de electrones, una excelente conductividad térmica y una notable resistencia mecánica. Su estructura de una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red de panal bidimensional permite que los electrones se muevan con una resistencia mínima, lo que lo convierte en uno de los materiales más conductores disponibles.
Sin embargo, a pesar de su enorme potencial, otras limitaciones físicas impiden su uso en aplicaciones de semiconductores tradicionales.
Los semimetales no tienen banda prohibida. Imagen cortesía de Lee et al.
En su estado inherente, el grafeno se clasifica como un semimetal, lo que significa que no se comporta inherentemente como un semiconductor o un metal. Para que un material funcione eficazmente en dispositivos electrónicos como transistores, requiere una banda prohibida para que el material pueda «encenderse» y «apagarse» mediante un campo eléctrico. Este principio subyace al funcionamiento de la electrónica basada en silicio. Por lo tanto, el principal desafío en el uso del grafeno para aplicaciones electrónicas ha sido crear esta propiedad conmutable, similar al silicio, sin comprometer sus propiedades intrínsecas.
Investigación de grafeno de Georgia Tech
Recientemente, un equipo de investigación de Georgia Tech afirmó haber desarrollado el primer dispositivo semiconductor del mundo basado en grafeno.
Los investigadores demostraron con éxito que un epígrafe bien recocido sobre una superficie de cristal de carburo de silicio específica puede servir como un semiconductor 2D altamente móvil. En concreto, el equipo desarrolló un epígrafe semiconductor (SEG) sobre sustratos de carburo de silicio monocristalino, que tiene una banda prohibida de 0,6 eV y movilidades a temperatura ambiente de más de 5.000 cm²/Vs, que es significativamente mayor que la del silicio y otros semiconductores bidimensionales.
El proceso de producción de SEG. Imagen cortesía de Zhao et al.
SEG se fabrica en un horno CCS (Sublimación Controlada por Confinamiento), en el que un chip de SiC semiaislante se recoce en un crisol de grafito bajo una atmósfera de argón. La temperatura y la velocidad de formación del grafeno se controlan con precisión, y la velocidad a la que el silicio escapa del crisol juega un papel crucial.
Para caracterizar el SEG, el equipo utilizó microscopía de efecto túnel (STM), microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de electrones de baja energía (LEED) y espectroscopia Raman. Estos métodos permitieron un estudio detallado de SEG en múltiples escalas, distinguiéndolo del SiC puro y el grafeno y confirmando su registro atómico con el sustrato de SiC.
El potencial de los epígrafes semiconductores.
El equipo de investigación destaca el potencial de SEG en nanoelectrónica.
Como semiconductor 2D bien cristalizado con una banda prohibida notable y alta movilidad, SEG representa un avance importante para que la industria explote los beneficios eléctricos de materiales como el grafeno. El trabajo futuro se centrará en fabricar de forma fiable grandes terrazas con dieléctricos adecuados, gestionar barreras Schottky y desarrollar circuitos integrados. En última instancia, el equipo de investigación cree que SEG tiene potencial para volverse comercialmente viable y tener un impacto notable en la nanoelectrónica 2D.
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