Los transistores individuales hechos de nanotubos de carbono son más rápidos y más eficientes energéticamente que los hechos de otros materiales. Sin embargo, pasar de un solo transistor a un circuito integrado lleno de transistores es un gran salto.
"Un solo microprocesador tiene mil millones de transistores", dijo Mark Hersam de Northwestern Engineering. "Todos mil millones de ellos funcionan. Y no solo funcionan, sino que funcionan de manera confiable durante años o incluso décadas".
Al intentar dar el salto de un transistor individual basado en nanotubos a circuitos integrados a escala de oblea, muchos equipos de investigación, incluido el de Hersam, han enfrentado desafíos. Por un lado, el proceso es increíblemente costoso, a menudo requiere salas blancas de miles de millones de dólares paramantenga a los delicados componentes de tamaño nanométrico a salvo de los efectos potencialmente dañinos del aire, el agua y el polvo. Los investigadores también han luchado para crear un circuito integrado basado en nanotubos de carbono en el que los transistores sean espacialmente uniformes en todo el material, lo cual es necesario parasistema general para trabajar.
Ahora Hersam y su equipo de la Universidad Northwestern han encontrado una clave para resolver todos estos problemas. El secreto radica en las capas de encapsulación recientemente desarrolladas que protegen los nanotubos de carbono de la degradación ambiental.
Apoyado por la Oficina de Investigación Naval y la National Science Foundation, la investigación aparece en línea en Nanotecnología de la naturaleza el 7 de septiembre. Tobin J. Marks, Profesor de Investigación Vladimir N. Ipatieff de Química en el Colegio de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick, coautor del artículo. Michael Geier, unestudiante graduado en el laboratorio de Hersam, fue el primer autor.
"Una de las realidades de un nanomaterial, como un nanotubo de carbono, es que esencialmente todos sus átomos en la superficie", dijo Hersam, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Walter P. Murphy. "Así que cualquier cosa que toque ella superficie de estos materiales puede influir en sus propiedades. Si hiciéramos una serie de transistores y los dejáramos en el aire, el agua y el oxígeno se adherirían a la superficie de los nanotubos y los degradarían con el tiempo. Pensamos que agregar una capa protectora de encapsulación podríadetener este proceso de degradación para lograr vidas más largas ".
Hersam compara su solución con una que se usa actualmente para diodos orgánicos emisores de luz LED, que experimentaron problemas similares después de que se dieron cuenta por primera vez. Muchas personas asumieron que los LED orgánicos no tendrían futuro porque se degradaban en el aire. Después de que los investigadores desarrollaron unCapa de encapsulación para el material, los LED orgánicos ahora se utilizan en muchas aplicaciones comerciales, incluidas pantallas para teléfonos inteligentes, radios de automóviles, televisores y cámaras digitales. Fabricada con polímeros y óxidos inorgánicos, la capa de encapsulación de Hersam se basa en la misma idea pero adaptada al carbononanotubos
Para demostrar la prueba de concepto, Hersam desarrolló circuitos de memoria de acceso aleatorio estático SRAM basados en nanotubos. SRAM es un componente clave de todos los microprocesadores, que a menudo representan hasta el 85 por ciento de los transistores en la unidad de procesamiento central enuna computadora común. Para crear los nanotubos de carbono encapsulados, el equipo primero depositó los nanotubos de carbono de una solución previamente desarrollada en el laboratorio de Hersam. Luego cubrieron los tubos con sus capas de encapsulación.
Utilizando los nanotubos de carbono encapsulados, el equipo de Hersam diseñó y fabricó con éxito conjuntos de circuitos SRAM en funcionamiento. Las capas de encapsulación no solo protegieron el dispositivo sensible del medio ambiente, sino que mejoraron la uniformidad espacial entre los transistores individuales a través de la oblea. Mientras que los circuitos integrados de Hersamdemostró una larga vida útil, los transistores que se depositaron de la misma solución pero que no se revistieron degradados en cuestión de horas.
"Después de fabricar los dispositivos, podemos dejarlos en el aire sin más precauciones", dijo Hersam. "No necesitamos colocarlos en una cámara de vacío o en un ambiente controlado. Otros investigadores han fabricado dispositivos similarespero inmediatamente tuve que ponerlos en una cámara de vacío o en un entorno inerte para mantenerlos estables. Eso obviamente no va a funcionar en una situación del mundo real ".
Hersam imagina que su SRAM procesada en solución y estable en el aire podría usarse en tecnologías emergentes. Los transistores flexibles basados en nanotubos de carbono podrían reemplazar el silicio rígido para permitir la electrónica portátil. El método de fabricación más barato también abre puertas para tarjetas inteligentes: tarjetas de créditoincrustado con información personal para reducir la probabilidad de fraude.
"Las tarjetas inteligentes solo son realistas si se pueden realizar utilizando una fabricación de costo extremadamente bajo", dijo. "Debido a que nuestros nanotubos de carbono procesados en solución son compatibles con métodos de impresión escalables y económicos, nuestros resultados podrían permitir tarjetas inteligentes e impresos relacionadosaplicaciones electrónicas "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Amanda Morris. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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