Durante décadas, los científicos han tratado de aprovechar las propiedades únicas de los nanotubos de carbono para crear dispositivos electrónicos de alto rendimiento que sean más rápidos o consuman menos energía, lo que resulta en una mayor duración de la batería, una comunicación inalámbrica más rápida y velocidades de procesamiento más rápidas para dispositivos como teléfonos inteligentes y computadoras portátiles.
Pero una serie de desafíos han impedido el desarrollo de transistores de alto rendimiento hechos de nanotubos de carbono, pequeños cilindros hechos de carbono de un solo átomo de espesor. En consecuencia, su rendimiento ha quedado muy por detrás de los semiconductores como el arseniuro de silicio y galio utilizado en chips de computadoray electrónica personal.
Ahora, por primera vez, los ingenieros de materiales de la Universidad de Wisconsin-Madison han creado transistores de nanotubos de carbono que superan a los transistores de silicio de última generación.
Dirigidos por Michael Arnold y Padma Gopalan, profesores de ciencia e ingeniería de materiales de UW-Madison, los transistores de nanotubos de carbono del equipo alcanzaron una corriente 1.9 veces mayor que los transistores de silicio. Los investigadores informaron su avance en un artículo publicado el viernes 2 de septiembreen el diario Avances científicos .
"Este logro ha sido un sueño de la nanotecnología durante los últimos 20 años", dice Arnold. "Hacer transistores de nanotubos de carbono que sean mejores que los transistores de silicio es un gran hito. Este avance en el rendimiento del transistor de nanotubos de carbono es un avance crítico hacia la explotaciónnanotubos de carbono en lógica, comunicaciones de alta velocidad y otras tecnologías electrónicas de semiconductores ".
Este avance podría allanar el camino para que los transistores de nanotubos de carbono reemplacen a los transistores de silicio y continúen brindando las ganancias de rendimiento de las que depende la industria informática y que los consumidores demandan. Los nuevos transistores son particularmente prometedores para las tecnologías de comunicaciones inalámbricas que requieren una gran cantidad de corriente que fluye a través de ellosun área relativamente pequeña
Como algunos de los mejores conductores eléctricos jamás descubiertos, los nanotubos de carbono han sido reconocidos durante mucho tiempo como un material prometedor para los transistores de próxima generación.
Los transistores de nanotubos de carbono deberían poder funcionar cinco veces más rápido o usar cinco veces menos energía que los transistores de silicio, de acuerdo con extrapolaciones de mediciones de nanotubos individuales. La dimensión ultra pequeña del nanotubo hace posible cambiar rápidamente una señal de corriente que viaja a través de él,lo que podría conducir a ganancias sustanciales en el ancho de banda de los dispositivos de comunicaciones inalámbricas.
Pero los investigadores han luchado por aislar nanotubos de carbono puro, que son cruciales, porque las impurezas metálicas de los nanotubos actúan como cables de cobre e interrumpen sus propiedades semiconductoras, como un cortocircuito en un dispositivo electrónico.
El equipo de UW-Madison utilizó polímeros para clasificar selectivamente los nanotubos semiconductores, logrando una solución de nanotubos de carbono semiconductores de ultra alta pureza.
"Hemos identificado condiciones específicas en las que puede deshacerse de casi todos los nanotubos metálicos, donde tenemos menos del 0.01 por ciento de nanotubos metálicos", dice Arnold.
La colocación y alineación de los nanotubos también es difícil de controlar.
Para hacer un buen transistor, los nanotubos deben alinearse en el orden correcto, con el espaciado correcto, cuando se ensamblan en una oblea. En 2014, los investigadores de UW-Madison superaron ese desafío cuando anunciaron una técnica, llamada"autoensamblaje evaporativo flotante", que les da este control.
Los nanotubos deben hacer buenos contactos eléctricos con los electrodos metálicos del transistor. Debido a que el polímero que usan los investigadores de UW-Madison para aislar los nanotubos semiconductores también actúa como una capa aislante entre los nanotubos y los electrodos, el equipo "horneó" elmatrices de nanotubos en un horno de vacío para eliminar la capa aislante. El resultado: excelentes contactos eléctricos a los nanotubos.
Los investigadores también desarrollaron un tratamiento que elimina los residuos de los nanotubos después de que se procesan en solución.
"En nuestra investigación, hemos demostrado que podemos superar simultáneamente todos estos desafíos de trabajar con nanotubos, y eso nos ha permitido crear estos innovadores transistores de nanotubos de carbono que superan los transistores de arseniuro de silicio y galio", dice Arnold.
Los investigadores compararon su transistor de nanotubos de carbono contra un transistor de silicio del mismo tamaño, geometría y corriente de fuga para hacer una comparación de manzanas con manzanas.
Continúan trabajando para adaptar su dispositivo para que coincida con la geometría utilizada en los transistores de silicio, que se hacen más pequeños con cada nueva generación. También se está trabajando para desarrollar amplificadores de radiofrecuencia de alto rendimiento que puedan aumentar la señal de un teléfono celular.Si bien los investigadores ya han ampliado su proceso de alineación y deposición a obleas de 1 pulgada por 1 pulgada, están trabajando para ampliar el proceso para la producción comercial.
Arnold dice que es emocionante llegar finalmente al punto en que los investigadores pueden explotar los nanotubos para lograr ganancias de rendimiento en tecnologías reales.
"Ha habido un gran despliegue publicitario acerca de los nanotubos de carbono que no se han realizado, y eso ha deteriorado la perspectiva de muchas personas", dice. "Pero creemos que el despliegue es merecido. Solo ha llevado décadas de trabajopara que la ciencia de los materiales se ponga al día y nos permita aprovechar eficazmente estos materiales "
Los investigadores han patentado su tecnología a través de la Wisconsin Alumni Research Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Adam Malecek. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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