Transistores de triple modo de grafeno muestran su potencial

Los investigadores presentan amplificadores basados en el grafeno

Una investigación de la Universidad Rice que aprovecha las amplias capacidades del grafeno podría conducir a aplicaciones circuitales mucho más compactas y versátiles que lo que es factible ahora con las tecnologías en base al silicio.

Los amplificadores de triple modo con un solo transistor basado en el grafeno —la forma del carbono de un átomo de espesor por la que recientemente ganaron sus descubridores un Premio Nobel— podrían convertirse en elementos clave en los futuros circuitos electrónicos.

El descubrimiento de los investigadores de Rice se informó esta semana en la revista ACS Nano.

El grafeno es muy fuerte, casi transparente y conduce la electricidad muy bien. Pero otra propiedad clave es su ambipolaridad, la capacidad del grafeno de cambiar entre el uso de portadores positivos y negativos sobre la marcha en función de la señal de entrada. Los transistores de silicio tradicionales suelen utilizar uno u otro tipo de portador, algo que se determina durante la fabricación.

Un amplificador de tres terminales de un solo transistor hecho de grafeno se puede cambiar en cualquier momento durante el funcionamiento a cualquiera de tres modos —con portadores positivos, negativos o ambos— lo que ofrece posibilidades que no eran posibles con un solo transistor en las arquitecturas tradicionales, dice Kartik Mohanram , un profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática de Rice. Él colaboró en la investigación con Balandin Alexander, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de California en Riverside, y sus estudiantes Xuebei Yang (de Rice) y Guanxiong Liu (en Riverside).

Mohanram comparó las habilidades del nuevo transistor a las de una canilla de agua. «Ábrela y corre el agua», dijo. «Ciérrala y el agua se detiene. Eso es lo que hace un transistor tradicional. Es un dispositivo unipolar… Sólo se abre y se cierra en una sola dirección».

«Pero si usted cierra demasiado la canilla y ésta se abre de nuevo y el agua fluye, eso es lo que es ambipolaridad: Circulación de corriente cuando se abre el transistor en cualquier dirección alrededor de un punto de mínima conducción.»

Esto por sí solo significa que un transistor de grafeno puede ser «de tipo N» (negativo) o «tipo P» (positivo), dependiendo de si el portador se origina en la fuente o en los terminales de drenaje (que son efectivamente intercambiables). Una tercera función aparece cuando la entrada de cada portador es igual: El transistor se convierte en un multiplicador de frecuencia. Combinando los tres modos, el equipo de Rice-Riverside demostró esquemas comunes de manejo de señales, como cambio de fase y desplazamiento de frecuencia, claves para aplicaciones inalámbricas y de audio.

«Nuestro trabajo, y el de otros, que se centra en las aplicaciones de ambipolaridad, complementa los esfuerzos para hacer un mejor transistor de grafeno», dijo Mohanram. «Esto promete una mayor funcionalidad». La investigación demostró que un único transistor de grafeno podría sustituir a muchos en un circuito integrado típico, dijo. Las excelentes propiedades del grafeno y su compatibilidad en relación con la fabricación en base al silicio debería permitir que se integren los dos tipos de circuito en el futuro, agregó.

Hay obstáculos tecnológicos por superar, dijo Mohanram. Los pasos de fabricación como la deposición de dieléctrico y de los contactos «termina perturbando el entramado, rayándolo e introduciendo defectos». Esto inmediatamente degrada el rendimiento (limitando la ganancia de señal), por lo que tenemos que tener mucho cuidado en la fabricación.

«Pero la tecnología madurará, ya que muchos grupos de investigación están trabajando duro para hacer frente a estos desafíos», dijo.

Referencia de publicación 21/nn1021583

El transistor de grafeno

Ingenieros y especialistas de la UCLA han logrado desarrollar el transistor de grafeno más rápido hasta la fecha, con una frecuencia de hasta 300 GHz. Para obtener este adelanto han superado varios de los inconvenientes típicos en la integración de este material en dispositivos electrónicos. El incremento en la velocidad puede aumentar el potencial del grafeno para su aplicación en radios, computadoras, teléfonos y otros aparatos electrónicos de menor tamaño.

Un transistor de grafeno desarrollado por expertos norteamericanos ha obtenido un nuevo récord mundial en cuanto a la velocidad de este tipo de dispositivos, logrando llegar a una frecuencia de hasta 300 GHz. La innovación se ha concretado luego de hacer frente con éxito a los distintos problemas que supone el grafeno a la hora de integrarlo a dispositivos electrónicos, abriendo un nuevo campo de aplicaciones para este material en el desarrollo de artefactos más rápidos y más pequeños.

El grafeno es una capa de un átomo de espesor de carbono grafito, y posee excelentes propiedades para la fabricación de dispositivos electrónicos de todo tipo, como por ejemplo ordenadores o equipos de radio, con la ventaja además de poder aplicarse en estructuras de menor tamaño y con máxima eficacia.

Sin embargo, sus propiedades únicas también han dado lugar a dificultades en la integración de este material en los dispositivos mencionados y otros similares. A pesar de esto, ingenieros y químicos de la UCLA han anunciado recientemente los resultados de un trabajo que parece haber solucionado gran parte de estas limitaciones en el empleo del grafeno.

El desarrollo de un transistor de grafeno que sería el más rápido existente hasta hoy mereció un artículo en la revista especializada Nature, como así también otra nota informativa en el portal Science Daily. Al mismo tiempo, la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) también ha difundido el avance a través de una nota de prensa.

Inconvenientes superados

La velocidad a la que se transmite la información electrónica por un material como el grafeno lo transforma en una excelente alternativa para dispositivos de radiofrecuencia y otros artefactos electrónicos, pero las técnicas tradicionales para fabricar este material habitualmente conducen a un deterioro de la calidad del dispositivo.

El equipo de UCLA, dirigido por el profesor Xiangfeng Duan, ha desarrollado un nuevo proceso de fabricación de los transistores de grafeno, utilizando un nanocable y otros elementos que permiten, por un lado, eliminar los inconvenientes indicados con anterioridad y, por otro, incrementar la velocidad de funcionamiento.

Las innovaciones aplicadas en los transistores permiten optimizar sus funciones relacionadas con el cambio entre varios estados, como así también superar los problemas de desalineación que se producen debido a la reducción de escalas en electrónica y nanoelectrónica. Estas ventajas aumentan la eficacia de estos transistores de grafeno de alta velocidad.

Para desarrollar la nueva técnica de fabricación de los transistores se requirió un equipo interdisciplinario de UCLA conducido por Duan, con especialistas en las áreas de química, bioquímica, ciencia e ingeniería de materiales, ciencias aplicadas e ingeniería electrónica, entre otros campos.

Amplias ventajas

Los beneficios de esta nueva estrategia de fabricación de transistores de grafeno son múltiples. En primer lugar, no se producen defectos apreciables en el grafeno durante la fabricación, manteniendo inalterable las condiciones del mismo y permitiendo aprovecharlas al máximo en los dispositivos electrónicos.

Por otro lado, al superar las dificultades de alineación encontradas con anterioridad en los procesos convencionales, se pueden fabricar dispositivos extremadamente pequeños con un rendimiento sin precedentes. Es así que se obtiene la mayor velocidad lograda hasta hoy en esta clase de transistores.

Esto supone una frecuencia de corte de hasta 300 GHz, que puede compararse a la obtenida con transistores desarrollados a partir de materiales con una alta movilidad de electrones, como el arseniuro de galio o el fosfuro de indio. Sin embargo, el grafeno resulta altamente operativo y eficiente en dispositivos electrónicos.

Según los propios ingenieros e investigadores, el equipo está sorprendido por los resultados obtenidos. Es así que ya se están tomando medidas adicionales para ampliar el enfoque y reforzar aún más la velocidad de los transistores de grafeno. El financiamiento para esta investigación provino de la National Science Foundation y de los National Institutes of Health.

Fuente: Physorg y otros. Aportado por Eduardo J. Carletti

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