Transistor de Grafeno
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Transistor de grafeno. Uno de los avances más novedosos del siglo XX fue el descubrimiento del transistor, revolucionó por completo la Electrónica, después de transcurridos 60 años de su aparición no ha abandonado su privilegio, es considerado el dispositivo activo más importe en la electrónica.
Las NTIC han transformado el planeta con grandes adelantos tecnológicos basados en la electrónica moderna con gran poder de integración y velocidad de procesamiento, de donde se nutren la informática y las comunicaciones. No obstante la búsqueda de transistores más eficientes está en pruebas para demostrar su superioridad a los construidos de silicio, se quiere comprobar la veracidad del transistor de carbono de un átomo de grosor.
Sumario
Nuevos Transistores
Un transistor de carbono de un átomo de grosor podría sustituir al silicio. Según un artículo publicado el 28 de febrero de 2007 en NewScientist.com, una nueva investigación ha demostrado que es posible construir transistores; muchos más pequeños que los de silicio y posiblemente más eficaces, con láminas de carbono de 0,10nm de grosor. A diferencia de otros transistores nanoscópicos experimentales, estos no requieren un complejo proceso de fabricación ni una refrigeración criogénica.
Los transistores están hechos de grafeno, un material que conduce la electricidad mucho más rápido que la mayoría, es una lámina plana de átomos de carbono de solo un átomo de grosor. Tiene gran potencial como nuevo material (nano) electrónico gracias a la alta movilidad de sus electrones. El gran problema en las aplicaciones electrónicas de alta velocidad es lo fácil que se degrada, lo que penaliza el rendimiento de los dispositivos que lo utilizan, finalmente podría dar lugar a componentes electrónicos más rápidos y eficaces y que requieren menos energía.
El profesor Andre Geim y el Dr. Kostya Novoselov creen que estos transistores podrán revolucionar la manera de construir los transistores para dispositivos que requieran miniaturización y en particular para procesadores. Lograron construir un transistor de unos pocos nanómetros de ancho que ya no tiene grandes fugas ni una resistividad inmensa, (las piedras de tope que aparecen al disminuir el tamaño de un transistor) y lo hace suficientemente estable como para pensar en ser ocupado en dispositivos funcionales.
Propiedades del grafeno
Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:
- Alta conductividad térmica y eléctrica.
- Semiconductor.
- Alta elasticidad y dureza.
- Resistencia (el material más resistente del mundo).
- El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial de desarrollo.
- Soporta la radiación ionizante.
- Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.
- Menor efecto Joule, se calienta menos al conducir los electrones.
- Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.
Otras propiedades interesantes desde el punto de vista teórico son las siguientes:
- Los electrones que se trasladan sobre el grafeno, se comportan como cuasipartículas sin masa. Los llamados fermiones de Dirac. Dichos fermiones se mueven a una velocidad constante independientemente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 106 m/s. La importancia del grafeno, en este aspecto, consiste en estudiar experimentalmente este comportamiento que había sido predicho teóricamente hace más de 50 años.
- El grafeno presenta un efecto llamado efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos, o cuantizados, permitiendo esto medirla con una precisión increíble. La cuantización implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser cero (su valor mínimo depende de la constante de Planck y la carga del electrón).
- Debido a las propiedad anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no quedarse aislados en zonas de las que no pueden salir (efecto llamado localización de Anderson, y que es un problema para sistemas bidimensionales con impurezas).
Estructura del grafeno.
Estructura cristalina del grafito en la que se observan las interacciones entre las distintas capas de anillos aromáticos
condensados.
En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de aproximadamente 1,42 Å. Es el componente estructural básico de todos los demás elementos grafíticos incluyendo el grafito, los nanotubos de carbono y los fulerenos. Esta estructura también se puede considerar como una molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones del espacio, es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de hidrocarburos aromáticos policíclicos llamada grafenos.
El primer transistor de Grafeno
El primer transistor de grafeno se presentó en el 2004, pero perdía corriente y no se podía apagar debido a que los electrones saltaban con demasiada facilidad entre los átomos de carbono.
Ahora, Andre Geim y sus colegas de la Universidad de Manchester, en el Reino Unido, han desarrollado un transistor de grafeno que no sólo no pierde electricidad, sino que además puede controlar con eficacia el flujo de un solo electrón.
La delgada tira de grafeno limita los niveles de energía cuántica disponibles para el flujo de electrones, evitando que salten de un átomo a otro con tanta facilidad. Además, se utiliza un campo eléctrico para controlar el flujo, ajustando los niveles de energía para encender y apagar la corriente.
Además de funcionar a temperatura ambiente, este transistor es relativamente fácil de hacer. La tira de grafeno que conforma el dispositivo y las conexiones circundantes se pueden cortar de una lámina de grafeno con una litografía por haz de electrones, el mismo método que se utiliza en la fabricación de los dispositivos de silicio.
Según Geim, ahora se empieza a ver el potencial del grafeno como sucesor del silicio. Por ello, las compañías informáticas deberían incrementar su inversión en investigaciones relacionadas con los posibles usos del grafeno, señala Edward McCann, de la Universidad de Lancaster, en el Reino Unido.
En otro trabajo publicado en el mismo ejemplar de Nature, Geim y colegas de la Universidad de Manchester, del Max Planck Institute for Solid State Research de Stuttgart, Alemania y de la Universidad Radboud de Nijmegen, en los Países Bajos, han demostrado que el grafeno puede existir en una forma tan delgada.
Demostración
"La teoría y los experimentos dicen que los cristales planos de dos dimensiones no pueden existir", explica Geim. Sin embargo, los investigadores pusieron un trozo de grafeno sobre silicio y colocaron el conjunto sobre una parrilla metálica. Entonces, utilizaron ácido para disolver el silicio, dejando el grafeno suspendido sobre agujeros de 500nm y un microscopio electrónico de transmisión desveló que está cubierto por diminutas ondas, que hacen que el material se mantenga estable. "Para nuestra sorpresa resultó no ser plano en absoluto", señaló Geim
.
Se publica en Nature un nuevo método de fabricación que evita la degradación: consiste en colocar encima del grafeno nanohilos con un núcleo metálico (Co2Si) y un envoltorio aislante (Al2O3). Estos nanohilos pueden actuar como terminal de puerta (G) en un transistor basado en grafeno en cuyos extremos se encuentra la fuente (S) y el drenador (D).
Características técnicas
Los nuevos transistores de grafeno tienen una longitud de canal de solo 140 nm (nanómetros) o 0’14 μm, capaces de funcionar a una frecuencia de corte entre 100–300 GHz, solo limitada por la capacitancia parásita del substrato.
Esta frecuencia es comparable a la de los mejores transistores de alta movilidad electrónica del mercado que tienen longitudes de canal similares. El resultado es un transistor ultrarrápido cuya velocidad es similar a la de los mejores dispositivos existentes de tamaño similar.
Los transistores de Grafeno permanecen estables y "conductores" incluso cuando poseen sólo unos pocos nanómetros de ancho. Esto contrasta con todos los otros materiales conocidos, incluyendo los transistores de Silicio, los cuales se "oxidan, descomponen y se vuelven inestables a tamaños diez veces más grandes". Esta corresponde a la barrera que actualmente la tecnología basada en el Silicio está llegando y lo más probable es que pueda significar su caída.
Ver también
Fuentes
