Imagen de una nanocinta de grafeno similar a un metal de 1,6 nanómetros de ancho (Graphene Nanoribbon, GNR) tomada con un microscopio de efecto túnel .
Los transistores basados en carbono en lugar de silicio pueden potencialmente acelerar las computadoras y reducir su consumo de energía en más de mil veces; piense, por ejemplo, en un teléfono móvil que tiene una carga durante meses. Pero la gama de materiales necesarios para crear cadenas de carbono funcionales ha permanecido incompleta hasta el día de hoy.
Un equipo de químicos y físicos de la Universidad de California en Berkeley finalmente creó la última pieza que faltaba: un cable hecho completamente de carbono. Esto, a su vez, allanó el camino para la investigación de transistores basados en carbono y, en última instancia, computadoras.
Felix Fischer, profesor de química en la Universidad de California, Berkeley, señaló que la capacidad de fabricar todos los elementos de CI a partir de un solo material facilitaría la fabricación:
"Este era uno de los puntos clave que faltaba en la arquitectura general de circuitos integrados totalmente basados en carbono".
Los cables metálicos se utilizan para conectar transistores en un chip de computadora: transportan electricidad de un dispositivo a otro y conectan elementos semiconductores dentro de un bloque de chip.
El grupo de UC Berkeley ha estado trabajando durante varios años en cómo fabricar semiconductores y aislantes a partir de nanocintas de grafeno, que son tiras estrechas y unidimensionales de grafeno del grosor de un átomo. La estructura de estas nanocintas está compuesta en su totalidad por átomos de carbono dispuestos en un sistema hexagonal que se asemeja a una malla de alambre.
Mientras que otros materiales a base de carbono, como láminas de grafeno 2D y nanotubos de carbonopueden ser similares al metal, tienen sus inconvenientes. Por ejemplo, convertir una hoja de grafeno 2D en tiras de tamaño nanométrico podría convertirlas en semiconductores o incluso en aislantes. Los nanotubos de carbono, que son excelentes conductores, no se pueden producir con la misma precisión en grandes cantidades que las nanocintas.
“Las nanocintas nos permiten acceder a una amplia variedad de estructuras utilizando un diseño ascendente que aún no es posible con nanotubos”, dijo Michael Crommy, profesor de física en la Universidad de Berkeley. “Nos permitió unir electrones para crear una nanocinta conductora, lo que no se había hecho antes. Este es uno de los grandes desafíos en la tecnología de nanocintas de grafeno, y es por eso que estamos tan entusiasmados con él ".
Las nanocintas de grafeno similares a metales tienen una banda electrónica ancha y parcialmente llena, que es característica de los metales, y puede ser comparable en conductividad al grafeno bidimensional.
"Esta es la primera vez que podemos crear un conductor ultrafino a partir de materiales a base de carbono y este es un gran avance", añadió Fischer.
Crommy, Fisher y sus colegas de la Universidad de California, Berkeley y el Laboratorio Nacional de Berkeley publicaron sus hallazgos en la edición del 25 de septiembre de Science.
Los circuitos integrados basados en silicio se han utilizado en las computadoras durante décadas, aumentando regularmente su velocidad y rendimiento de acuerdo con la Ley de Moore, pero ya están alcanzando su límite de velocidad para la rapidez con la que pueden cambiar entre "unos" y "ceros". También se vuelve más difícil reducir el consumo de energía; las computadoras ya consumen una parte significativa de la producción de energía mundial. Las computadoras basadas en carbono pueden cambiar potencialmente muchas veces más rápido que las computadoras de silicio y consumir solo una fracción de su energía, dijo Fisher.
El grafeno, que es carbono puro, ha sido el principal competidor para la próxima generación de computadoras basadas en carbono. Sin embargo, las estrechas tiras de grafeno son principalmente semiconductores, y el desafío era hacer que funcionen como aislantes y metales también para construir transistores basados en carbono.
Hace varios años, Fisher y Crommy se asociaron con el teórico de materiales Stephen Louis, profesor de física en la Universidad de California en Berkeley, para descubrir nuevas formas de conectar pequeñas piezas de nanocintas conservando todas las propiedades conductoras.
Hace dos años, el equipo demostró que al conectar correctamente segmentos cortos de nanocintas, los electrones de cada segmento se pueden colocar para crear un nuevo estado topológico, una función de onda cuántica distinta, lo que da como resultado propiedades sintonizables del semiconductor.
En su nuevo trabajo, utilizan una técnica similar para "coser" segmentos cortos de nanocintas para crear un alambre conductor similar a un metal de decenas de nanómetros de largo y solo un nanómetro de ancho.
“Todos están diseñados de tal manera que solo pueden combinarse entre sí de una manera. Es como si tomas una bolsa de Lego, la sacudes y tienes un auto completamente ensamblado ”, dijo. "Esta es la magia del control de autoensamblaje con química".
“A través de la química, hicimos pequeños cambios en un enlace químico por cada 100 átomos y aumentamos la conductividad de las nanocintas en 20 veces. Y es importante desde un punto de vista práctico obtener un buen metal de esa manera ”, dijo Crommy.
"Creo que esta tecnología revolucionará la forma en que construimos circuitos integrados en el futuro", dijo Fischer. “Este será un gran paso adelante en el diseño y la fabricación de productos electrónicos, en comparación con lo que cabría esperar del silicio en este momento. Ahora tenemos la capacidad de obtener un rendimiento más rápido con mucho menos consumo de energía. Esta será la fuerza impulsora detrás del futuro de la industria de semiconductores electrónicos ".