Nanotecnología

Graphene, eludido por científicos a lo largo de la historia es el material mas común usado en la mayoria de los lápices, se compone de un sin número de capas de grafito. Saroj Kayak en colaboración con el departamento de fisica, fisica aplicada y astronomia de Rensselaer lleva investigando dos años en como aplicar las excelentes propiedades conductivas en nanoelectrónica. Después de ejecutar docenas de simulaciones por ordenador el grupo de investigación demostró por primera vez que la longtud y la anchura del grafito afecta directamente en las propiedades de conductividad del material.

Nayak, Shemella, y su equipo expusieron sus conclusiones en el informe “Energy Gaps in Zero-Dimensional Graphene Nanoribbons” published in the July 23 issue of Applied Physics Letters. 

En la forma de una larga cinta nanométrica de una dimensión que parecen como mallas moleculares, el grafito tiene unas propiedades electricas únicas pudiendose comportar como metal o semiconductor. Cuando los segmentos cortos de esta cinta están aislados en cero dimensiones los segmentos se llaman nanorectangulos, cuando la anchura es medida en átomos, se clasifican en  “armchair” or “zigzag” graphene nanocintas. Ambos tipos de nanorectangulos tienen propiedades únicas.

Nayak, Shemella y el grupo tomó 1-D nanocintas y recortaron la longitud a unos pocos nanómetros, por lo que la longitud fue sólo un par de veces mayor que la anchura. Las longitudes de los nanorectangulos de grafito en cero dimensiones tienen claros y distintos efectos en las propiedades del material.  El equipo utilizó simulaciones de mecánica cuántica con capacidad predictiva para llevar a cabo este trabajo. Su estudio computacional mostró por primera vez que la longitud del grafito puede ser usado para manipular y ajustar la energía del gap del material. Esto es importante porque el gap determina si el grafito es metálico o semiconductor. 

Generalmente, cuando se sintetiza graphene, hay una mezcla de materiales metálicos y semiconductores

Nayak y Shemella dijeron que esta investigación es un primer paso importante para el desarrollo de una forma de producir en masa graphene metálico que un día puede reemplazar el cobre como principal material de interconexión en casi todos los chips de ordenador.

 El tamaño de los chips de ordenador se ha reducido drásticamente en los últimos diez años, pero recientemente han llegado a un tope, dice Nayak. Cuanto más pequeñas son las interconexiones de cobre, el cobre aumenta la resistencia y su capacidad para conducir la electricidad. Esto significa un menor número de electrones que son capaces de pasar por el cobre con éxito, y cualquier electrón se expresa como calor. Este calor puede tener efectos negativos en el chip tanto en su  velocidad y como en el rendimiento.

Los investigadores en la industria y el mundo académico están buscando alternativas para sustituir materiales como el cobre de interconexion. Graphene podría ser un posible sucesor de cobre, dijo Nayak, porque graphene metálicos tiene una excelente conductividad. Incluso a temperatura ambiente, los electrones pasan sin esfuerzo, cerca de la velocidad de la luz y con poca resistencia, a través de graphene metálicos. Esto casi garantizar una interconexión graphene disipando menos calor que una interconexión de cobre del mismo tamaño. Es probable que antes de un año graphene interconexión se realice, pero las principales empresas informáticas, como IBM e Intel han tomado conocimiento de este material. Nayak dice que graphene también es actualmente un "tema candente" en el mundo académico. 

Los nanotubos de carbono, que son esencialmente graphene enrollado, son otro posible heredero en sustitución de cobre como principal material utilizado para las interconexiones. Pero ellos sufren reveses similares a los de graphene, dice Nayak. Cuando se sintetizan nanotubos de carbono, alrededor de un tercio del lote es metálico y las dos terceras partes restantes son semiconductores. Sería extremadamente difícil separar las dos en una escala masiva, dijo Nayak. Por el contrario, investigaciones recientes en Rensselaer y en otros lugares dicen que graphene podría ser producidos en un modo más controlado. 

Dice Nayak."Fundamentalmente, en este momento, graphene muestra mucho potencial para el uso en las interconexiones, así como los transistores". 

También es posible que los semiconductores graphene se podrían un día utilizar en lugar de silicio como el principal semiconductor utilizados en todos los chips de ordenador, pero la investigación de esta posibilidad es aún muy preliminar, dijo Nayak.

El actual proyecto de investigación está financiado por el Centro de interconexión Focus Rensselaer, en Nueva York, la Fundación Nacional de Ciencias, y la Oficina de Investigación Naval. Los cálculos se llevan a cabo con el apoyo de la Ciencia de la Computación Centro de Investigación y con el uso de la máquina IBM Blue Gene a través de una Shared University Research (SUR) de subvención a Rensselaer.

De todos es conocido que  el material semiconductor por excelencia es el Silicio. No obstante, se están desarrollando nuevos materiales con propiedades de conductividad extremadamente buenas que podrían utilizarse en la nanoelectrónica. Este es el caso del grafeno, fabricado por primera vez en un laboratorio en el año 2004.

El grafeno es una forma particular de disponer los átomos de carbono, así como los fullerenos y los nanotubos de carbono. En el grafeno los átomos de carbono se unen en láminas planas de un átomo de espesor, formando un panal de abejas hexagonal (con un átomo en cada vértice).

                                                  Grafeno

En el caso de que se coloquen muchos panales uno sobre otro, se tiene grafito, como es el caso de los lápices comunes. Si se enrolla una porción de una de esas láminas en forma de esfera, como un balón de fútbol, se producen fullerenos, unas moléculas de tan gran interés que a sus descubridores se les concedió el Nobel de Química del año 1996. Si se enrolla el panal formando un cilindro, se tiene un nanotubo de carbono.

                        Fullereno                          Nanotubo de carbono

Como ya se había predicho hace algunos años, una lámina bidimensional, casi plana, de carbono es  termodinámicamente inestable. De ahí, que el grafeno que se ha conseguido sintetizar hasta ahora no es perfecto, y posee defectos microscópicos que son los que le otorgan parte de sus propiedades tan especiales. Entre ellas, cabe destacar las siguientes:

 - Los electrones que se mueven en el “panal” formado por celdas hexagonales con átomos de carbono en los vértices, debido a la interacción con esta red, se comportan como cuasipartículas sin masa llamadas fermiones de Dirac, que se mueven a una velocidad constante cercana a la velocidad de la luz. De manera que pueden mostrar comportamientos relativistas que pueden corroborar experimentalmente lo que se había predicho hace más de 50 años de manera teórica.

 - El paso de los electrones por el grafeno origina un efecto Hall cuántico que es imprescindible para su comportamiento como semiconductor. No obstante mientras que otros semiconductores sólo presentan este efecto a temperaturas muy bajas, el grafeno lo mantiene a temperatura ambiente, lo que le convierte en un semiconductor excelente y su conductividad eléctrica nunca puede ser cero, incluso cuando no hay electrones libres en el grafeno.

 - Debido a las propiedades anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no limitarse a un camino recto como ocurre en los transistores convencionales de Si, donde se crean pequeños tubos por donde circula la corriente eléctrica. 

En resumen, el grafeno es un semiconductor que puede operar a escala nanométrica y a temperatura ambiente, con propiedades que ningún otro semiconductor ofrece.