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(noticias nanowerk) Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han creado el primer semiconductor funcional del mundo a partir de grafeno, una sola capa de átomos de carbono unidos por los enlaces más fuertes conocidos. Los semiconductores, materiales que conducen la electricidad en determinadas condiciones, son componentes fundamentales de los dispositivos electrónicos. El avance del equipo abre la puerta a un nuevo tipo de fabricación de productos electrónicos.
Las tesis centrales
Investigación
Su descubrimiento se produce en un momento en que el silicio, el material del que están hechos casi todos los dispositivos electrónicos modernos, está alcanzando sus límites frente a computadoras cada vez más rápidas y dispositivos electrónicos más pequeños. Walter de Heer, profesor Regents de Física en Georgia Tech, dirigió un equipo de investigadores con sede en Atlanta, Georgia, y Tianjin, China, para producir un semiconductor de grafeno que sea compatible con los métodos de procesamiento microelectrónico convencionales, una necesidad para cualquier alternativa viable además del silicio. .
En este último estudio, publicado en Naturaleza (“Grafeno epitaxial semiconductor de movilidad ultraalta sobre carburo de silicio”), de Heer y su equipo han superado el mayor obstáculo que ha plagado la investigación del grafeno durante décadas y es la razón por la que muchos pensaron que la electrónica del grafeno nunca funcionaría. La llamada «banda prohibida» es una propiedad electrónica crucial que permite que los semiconductores se enciendan y apaguen. El grafeno no tenía banda prohibida… hasta ahora.
«Ahora tenemos un semiconductor de grafeno extremadamente robusto con diez veces la movilidad del silicio y que además tiene propiedades únicas que el silicio no ofrece», afirmó de Heer. «Pero la historia de nuestro trabajo durante la última década ha sido: ‘¿Podemos conseguir que este material sea lo suficientemente bueno para funcionar?'»
Un nuevo tipo de semiconductor
De Heer comenzó a investigar materiales a base de carbono como semiconductores potenciales al principio de su carrera, luego pasó a investigar el grafeno bidimensional en 2001. Entonces supo que el grafeno tenía potencial para la electrónica.
«Nos motivó la esperanza de introducir tres propiedades especiales del grafeno en la electrónica», dijo. «Es un material extremadamente robusto que puede soportar corrientes muy grandes sin calentarse ni desmoronarse».
De Heer logró un gran avance cuando él y su equipo descubrieron cómo cultivar grafeno en obleas de carburo de silicio utilizando hornos especiales. Crearon grafeno epitaxial, una capa única que crece sobre una cara cristalina de carburo de silicio. El equipo descubrió que cuando se fabrica adecuadamente, el grafeno epitaxial se une químicamente con el carburo de silicio y comienza a exhibir propiedades semiconductoras.
Durante la siguiente década, trabajaron tenazmente para perfeccionar el material en Georgia Tech y más tarde en colaboración con colegas del Centro Internacional de Nanopartículas y Nanosistemas de Tianjin en la Universidad de Tianjin en China. De Heer fundó el centro en 2014 junto con Lei Ma, directora del centro y coautora del artículo.
como lo hicieron
En su forma natural, el grafeno no es ni un semiconductor ni un metal, sino más bien un semimetal. Una banda prohibida es un material que se puede activar y desactivar cuando se le aplica un campo eléctrico. Así funcionan todos los transistores y la electrónica de silicio. La principal cuestión en la investigación de la electrónica del grafeno ha sido cómo encenderlo y apagarlo para que pueda funcionar como el silicio.
Pero para fabricar un transistor funcional, un material semiconductor debe ser manipulado intensamente, lo que puede afectar sus propiedades. Para demostrar que su plataforma podía funcionar como un semiconductor viable, el equipo tuvo que medir sus propiedades electrónicas sin dañarla.
Colocan átomos en el grafeno que «donan» electrones al sistema, una técnica llamada dopaje, cuyo objetivo es determinar si el material es un buen conductor. Funcionó sin dañar el material ni sus propiedades.
Las mediciones del equipo mostraron que su semiconductor de grafeno tiene una movilidad diez veces mayor que la del silicio. En otras palabras, los electrones se mueven con muy poca resistencia, lo que conduce a cálculos más rápidos en electrónica. «Es como conducir por un camino de grava o una autopista», dijo de Heer. «Es más eficiente, no se calienta tanto y permite velocidades más altas para que los electrones puedan moverse más rápido».
El producto del equipo es actualmente el único semiconductor bidimensional que tiene todas las propiedades necesarias para su uso en nanoelectrónica, y sus propiedades eléctricas son muy superiores a las de todos los demás semiconductores 2D actualmente en desarrollo.
«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», dijo Ma. “A lo largo de los años, muchos han intentado abordar 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”.
Avanzar
El grafeno epitaxial podría provocar un cambio de paradigma en el campo de la electrónica, permitiendo tecnologías completamente nuevas que aprovechen sus propiedades únicas. El material permite el uso de las propiedades ondulatorias de la mecánica cuántica de los electrones, lo cual es un requisito previo para la computación cuántica.
«Nuestra motivación para hacer electrónica con grafeno estuvo ahí durante mucho tiempo, y el resto fue simplemente hacerlo realidad», dijo de Heer. “Tuvimos que aprender cómo manejar el material, cómo hacerlo cada vez mejor y, finalmente, cómo medir las propiedades. Eso tomó mucho, mucho tiempo”.
Según de Heer, no es raro que llegue al mercado otra generación de productos electrónicos. Antes del silicio hubo tubos de vacío y antes hubo cables y telégrafos. El silicio es uno de los muchos pasos en la historia de la electrónica y el siguiente podría ser el grafeno.
«Para mí, esto es como un momento de los hermanos Wright», dijo de Heer. “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 los océanos”.
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