Un toque de carbono en lugar de silicio: los investigadores han dotado de propiedades a los semiconductores de grafeno, abriendo nuevas posibilidades en la microelectrónica. Por lo tanto, la capa única de átomos de carbono puede proporcionar propiedades materiales interesantes. Según los científicos, esta tecnología podría permitir, entre otras cosas, el desarrollo de componentes microelectrónicos más pequeños y potentes.
Bajo determinadas condiciones se vuelven conductores de electricidad y, por tanto, pueden asumir funciones de conmutación: gracias a esta propiedad del material, los semiconductores forman la base de los microchips, etc. Hasta ahora se utilizaba principalmente el elemento silicio, pero el rendimiento de este semiconductor está llegando cada vez más a sus límites. Por lo tanto, se necesitan sistemas semiconductores innovadores para satisfacer la necesidad adicional de miniaturización, aumento del rendimiento y expansión funcional en la microelectrónica.
Los investigadores llevan tiempo trabajando para aprovechar las características del carbono especialmente estructurado: el grafeno es una estructura bidimensional compuesta de átomos de carbono dispuestos en forma de panal y unidos entre sí mediante fuertes enlaces. «Nos motivó la esperanza de introducir tres propiedades especiales del grafeno en la electrónica: es un material extremadamente robusto que puede soportar corrientes muy fuertes sin sobrecalentarse ni romperse», explica el autor principal Walter de Heer del Instituto de Tecnología de Georgia en Atlanta.
Gráficos utilizables
De Heer y su equipo internacional de investigadores han logrado superar un obstáculo que anteriormente se interponía en el camino de la electrónica del grafeno: el material normalmente no tiene propiedades semiconductoras; el grafeno carece de la llamada banda prohibida. Se trata de una barrera energética que los electrones deben superar para volverse móviles y así hacer que el material sea conductor. Esto sucede, por ejemplo, en los semiconductores cuando se aplica un campo eléctrico. En este efecto se basan las funciones de los transistores y de la electrónica de silicio. Por lo tanto, el desafío en la investigación de la electrónica del grafeno era darle al material una banda prohibida para que pudiera usarse de manera similar al silicio.
El concepto del nuevo desarrollo se basa ahora en el “crecimiento” de una sola capa de grafeno sobre una base especial: el carburo de silicio. Este es un compuesto químico hecho de silicio y carbono. Mediante un proceso de calentamiento, los desarrolladores pueden hacer crecer una capa de grafeno sobre la superficie cristalina del carburo de silicio de manera que tenga las propiedades y la estructura deseadas. El equipo pudo demostrar que este grafeno se combina con el carburo de silicio subyacente de tal manera que el grafeno desarrolla propiedades semiconductoras. «Nuestra tecnología ahora crea una banda prohibida y, por lo tanto, es un paso crucial en la realización de la electrónica basada en grafeno», dice el coautor Lei Ma de la Universidad de Tianjin de China. De Heer añade: «Sin embargo, tuvimos que aprender a manejar el material, a mejorarlo y, finalmente, a medir sus propiedades».
Un tipo prometedor de semiconductor
Los resultados de la investigación del equipo mostraron el potencial del semiconductor de grafeno. Lo más importante es que, según ellos, tiene una movilidad diez veces mayor que la del silicio. Esto significa que los electrones pueden moverse con poca resistencia, lo que podría conducir a cálculos más rápidos en electrónica, explican los científicos. «Ahora tenemos un semiconductor de grafeno extremadamente robusto y potente que tiene propiedades que el silicio no tiene», afirma de Heer. “El material es más eficiente, no se calienta tanto y permite que los electrones se muevan más rápido. “Es como conducir por una autopista en lugar de por un camino de tierra”, dijo.
Según el equipo, su sistema posee las propiedades fundamentalmente necesarias para su uso en electrónica. Como resultado, la electrónica basada en grafeno tiene ahora el potencial de estimular significativamente los avances tecnológicos. Podría habilitar componentes microelectrónicos aún más pequeños y potentes. El material también podría facilitar el uso de las propiedades ondulatorias mecánico-cuánticas de los electrones para crear ordenadores cuánticos, escribe el Instituto de Tecnología de Georgia. De Heer está convencido de que la electrónica basada en grafeno podría representar una tecnología innovadora.
Fuente: Instituto de Tecnología de Georgia, artículo especializado: Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06811-0
