Los transistores basados en carbono en lugar de silicio podrían aumentar la velocidad de las computadoras y reducir su consumo de energía más de mil veces, piense en un teléfono móvil que mantiene su carga durante meses, pero el conjunto de herramientas necesarias para construir circuitos de carbono que funcionen.ha permanecido incompleto hasta ahora.
Un equipo de químicos y físicos de la Universidad de California, Berkeley, finalmente ha creado la última herramienta en la caja de herramientas, un cable metálico hecho completamente de carbono, preparando el escenario para un aumento en la investigación para construir transistores basados en carbonoy, en última instancia, computadoras.
"Permanecer dentro del mismo material, dentro del ámbito de los materiales a base de carbono, es lo que une a esta tecnología ahora", dijo Felix Fischer, profesor de química de UC Berkeley, y señaló que la capacidad de fabricar todos los elementos del circuito a partir del mismo materialfacilita la fabricación. "Esa ha sido una de las cosas clave que ha faltado en el panorama general de una arquitectura de circuito integrado basada exclusivamente en carbono".
Los cables metálicos, como los canales metálicos utilizados para conectar transistores en un chip de computadora, llevan electricidad de un dispositivo a otro e interconectan los elementos semiconductores dentro de los transistores, los componentes básicos de las computadoras.
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 de un átomo de espesor, una estructura compuesta en su totalidad por átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal interconectado.parecido a una malla de gallinero.
El nuevo metal a base de carbono también es una nanocinta de grafeno, pero diseñado con miras a la conducción de electrones entre nanocintas semiconductoras en transistores totalmente de carbono. Las nanocintas metálicas se construyeron ensamblándolas a partir de bloques de construcción idénticos más pequeños: un enfoque de abajo hacia arriba, dijo el colega de Fischer, Michael Crommie, profesor de física de UC Berkeley. Cada bloque de construcción aporta un electrón que puede fluir libremente a lo largo de la nanocinta.
Si bien otros materiales a base de carbono, como las láminas 2D extendidas de grafeno y nanotubos de carbono, pueden ser metálicos, tienen sus problemas. Transformar una lámina 2D de grafeno en tiras de escala nanométrica, por ejemplo, las convierte espontáneamente en semiconductores.o incluso aislantes.Los nanotubos de carbono, que son excelentes conductores, no pueden prepararse con la misma precisión y reproducibilidad en grandes cantidades que las nanocintas.
"Las nanocintas nos permiten acceder químicamente a una amplia gama de estructuras utilizando la fabricación de abajo hacia arriba, algo que aún no es posible con los nanotubos", dijo Crommie. "Esto nos ha permitido básicamente unir electrones para crear una nanocinta metálica, algo que no se ha hechoantes. Este es uno de los grandes desafíos en el área de la tecnología de nanocintas de grafeno y por qué estamos tan entusiasmados con ella ".
Las nanocintas de grafeno metálico, que presentan una banda electrónica amplia y parcialmente llena, característica de los metales, deberían ser comparables en conductancia al grafeno 2D en sí.
"Creemos que los cables metálicos son realmente un gran avance; es la primera vez que podemos crear intencionalmente un conductor metálico ultra estrecho, un buen conductor intrínseco, a partir de materiales a base de carbono, sin la necesidad dedopaje externo ", agregó Fischer.
Crommie, Fischer y sus colegas de UC Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab publicarán sus hallazgos en la edición del 25 de septiembre de la revista ciencia .
Ajustar la topología
Los circuitos integrados basados en silicio han alimentado las computadoras durante décadas con una velocidad y un rendimiento cada vez mayores, según la ley de Moore, pero están alcanzando su límite de velocidad, es decir, qué tan rápido pueden cambiar entre ceros y unos. También es cada vez más difícilreducir el consumo de energía; las computadoras ya usan una fracción sustancial de la producción de energía mundial.Las computadoras basadas en carbono podrían cambiar potencialmente muchas veces más rápido que las computadoras de silicio y usar solo fracciones de la energía, dijo Fischer.
El grafeno, que es carbono puro, es un competidor líder para estas computadoras de próxima generación basadas en carbono. Sin embargo, las tiras estrechas de grafeno son principalmente semiconductores, y el desafío ha sido hacer que también funcionen como aislantes y metales.extremos opuestos, totalmente no conductores y totalmente conductores, respectivamente, para construir transistores y procesadores completamente de carbono.
Hace varios años, Fischer y Crommie se asociaron con el científico de materiales teóricos Steven Louie, profesor de física de UC Berkeley, para descubrir nuevas formas de conectar pequeñas longitudes de nanocintas para crear de manera confiable la gama completa de propiedades conductoras.
Hace dos años, el equipo demostró que al conectar segmentos cortos de nanocintas de la manera correcta, los electrones en cada segmento podrían organizarse para crear un nuevo estado topológico, una función de onda cuántica especial, que conduce a propiedades semiconductoras sintonizables.
En el nuevo trabajo, utilizan una técnica similar para unir segmentos cortos de nanocintas para crear un cable metálico conductor de decenas de nanómetros de largo y apenas un nanómetro de ancho.
Las nanocintas se crearon químicamente y se tomaron imágenes en superficies muy planas utilizando un microscopio de efecto túnel. Se utilizó calor simple para inducir a las moléculas a reaccionar químicamente y unirse de la manera correcta. Fischer compara el ensamblaje de bloques de construcción encadenados conun conjunto de Legos, pero Legos diseñados para encajar en la escala atómica.
"Todos están diseñados con precisión para que solo haya una forma en que puedan encajar. Es como si tomas una bolsa de Legos, la agitas y sale un automóvil completamente ensamblado", dijo.la magia de controlar el autoensamblaje con química. "
Una vez ensamblada, el estado electrónico de la nueva nanocinta era un metal, tal como lo predijo Louie, con cada segmento contribuyendo con un solo electrón conductor.
El avance final se puede atribuir a un cambio mínimo en la estructura de nanocintas.
"Utilizando la química, creamos un pequeño cambio, un cambio en solo un enlace químico por cada 100 átomos, pero que aumentó la metalicidad de la nanocinta en un factor de 20, y eso es importante, desde un punto de vista práctico, para hacer de este un buen metal ", dijo Crommie.
Los dos investigadores están trabajando con ingenieros eléctricos en UC Berkeley para ensamblar su caja de herramientas de nanocintas de grafeno metálicas, aislantes y semiconductoras en transistores que funcionen.
"Creo que esta tecnología revolucionará la forma en que construimos circuitos integrados en el futuro", dijo Fischer. "Debería llevarnos un gran paso adelante del mejor rendimiento que se puede esperar del silicio en este momento. Ahora tenemos un camino paraacceder a velocidades de conmutación más rápidas con un consumo de energía mucho menor. Eso es lo que está impulsando el impulso hacia una industria de semiconductores electrónicos basada en carbono en el futuro ".
Los coautores principales del artículo son Daniel Rizzo y Jingwei Jiang del Departamento de Física de UC Berkeley y Gregory Veber del Departamento de Química. Otros coautores son Steven Louie, Ryan McCurdy, Ting Cao, Christopher Bronner y Ting Chen deUC Berkeley. Jiang, Cao, Louie, Fischer y Crommie están afiliados a Berkeley Lab, mientras que Fischer y Crommie son miembros del Kavli Energy NanoSciences Institute.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval, el Departamento de Energía, el Centro de Ciencia Electrónica de Eficiencia Energética y la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :