Nanotecnología

Ingenieros estadounidenses usaron la tecnología de los nanotubos para fabricar una radio de transistores que es mucho más pequeña que un grano de arena, han revelado en un informe publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Científicos de la Universidad de Illinois armaron el diminuto receptor radiofónico con nanotubos, que son átomos de carbono en fila. Aun cuando esa radio solo puede captar una estación, su fabricación constituye un gran paso para la fabricación de otros aparatos minúsculos y mucho más avanzados.Esas hileras de átomos son centenares de miles de veces más finas que un cabello humano y en conjunto constituyen un material semiconductor que puede aplicarse a aparatos y circuitos electrónicos.Las radios están formadas por dos amplificadores de frecuencia radiofónica y un mezclador de frecuencia, todos ellos fabricados con materiales de nanotubos. Los audífonos, que son de tamaño normal, se aplican directamente a un transistor hecho también con nanotubos y el cual usa una antena también de tamaño normal. En una de las pruebas los ingenieros de la Universidad de Illinois captaron un informe de tráfico de la ciudad de Baltimore (Maryland).Según indicó John Rogers, un profesor de materiales científicos y de ingeniería de la Universidad de Illinois, el objetivo no era en sí fabricar un receptor de radio, sino desarrollar esos nanotubos para que actúen como semiconductores.

"Es un paso más hacia el desarrollo de nuevas plataformas para la tecnología electrónica", señaló. El ingeniero pronosticó que a medida que se vayan eliminando las distorsiones el diminuto aparato de radio podrá tener mejor funcionamiento que los actuales.

El articulo explicado en complejidad es “Radio frequency analog electronics based on carbon nanotube transistors”

El profesor John Rogers tiene una página web de su grupo de investigación http://rogers.mse.uiuc.edu/ donde se pueden consultar sus investigaciones.

Es interesante también la lectura de la entrevista que hizo el J. Rogers para nanotechweb.org que se puede leer en el siguiente link: http://rogers.mse.uiuc.edu/files/2008/radionanoweb.pdf

A día de hoy, los circuitos electrónicos con capaces de integrar cada vez más número de transistores y componentes, aumentando considerablemente sus prestaciones, pero haciendo también que aparezcan nuevos problemas. Según la ley de Moore, el número de transistores en un chip se duplica cada dos años. Pero el hecho de reducir cada vez más el tamaño mínimo característico hace que surjan nuevos fenómenos asociados a las pequeñas dimensiones de los dispositivos (del orden de nanómetros), y que por tanto la física que los describe sea totalmente distinta al caso clásico de la microelectrónica.

El avance de la microelectrónica durante finales del siglo XX se ha debido principalmente a los circuitos basados en tecnología CMOS, esto es, que utilizan tanto transistores PMOS como NMOS. Estos transistores se basan en la unión de un metal, un óxido, y un semiconductor, y tienen tres contactos diferentes, llamados puerta, fuente y drenador (para que pueda pasar corriente entre fuente y drenador hay que crear un canal de conducción entre ellos, lo que se consigue aplicando un cierto voltaje a la puerta, conocido como voltaje umbral). El gran desarrollo de la electrónica CMOS se debe a la utilización del SiO₂ como dieléctrico de puerta del transistor, pues presenta unas propiedades inmejorables en cuanto a carácter aislante y a baja densidad de defectos en ambas interfases, siendo compatible tanto con el sustrato de silicio como con el contacto de polisilicio.

A medida que se ha ido reduciendo el tamaño de los dispositivos, el espesor del dieléctrico de puerta también lo ha hecho, pasando de espesores de puerta de 1000 Å hace treinta años a sólo 12 Å, e incluso a 8 Å en laboratorio. Para espesores tan pequeños, de sólo cuatro capas atómicas, empiezan a ser importantes las fugas de corriente debidas al efecto túnel, que contribuyen a un aumento del calor generado y a la consecuente necesidad de disipación. Surge entonces la cuestión de cómo resolver el problema, ya que podrían plantearse varias alternativas: modificar el diseño, cambiar el material de puerta, el material de los contactos, o el material sustrato. O bien todo a la vez.

Los materiales candidatos a constituir nuevos dieléctricos de puerta son los llamados dieléctricos de alta permitividad o dieléctricos de alta-k, basados en óxidos de hafnio y de zirconio.  Son capaces de reducir la corriente túnel en más de cien veces en comparación con el óxido de silicio, pero presentan el inconveniente de que la interfase que forman con el polisilicio del contacto no es todo lo buena que se desearía, pues contiene una gran cantidad de defectos. Esto hace que los voltaje umbral que se obtiene sea demasiado grande (este fenómeno se llama congelación del voltaje umbral o anclaje del nivel de Fermi, ocasionando una corriente de arrastre muy  pequeña y un rendimiento muy bajo. Por tanto, para utilizar estos dieléctricos de alta-k es necesario también reemplazar los contactos del transistor por otros nuevos materiales metálicos, utilizando contactos de distintos materiales en función de si el transistor utilizado es NMOS o PMOS.

El otro problema que presenta estos dieléctricos es que, al tener un alto valor de la constante dieléctrica, también tienen unos fonones ópticos superficiales muy energéticos. Al ser los fonones vibraciones de la red cristalina, interfieren con los electrones de conducción del canal, afectando a su movilidad y disminuyendo el rendimiento del dispositivo. La influencia de los fonones en los electrones del canal puede minimizarse eligiendo los contactos metálicos adecuados, con una cierta función de trabajo, de forma que la solución en este caso también pasa por cambiar los actuales contactos utilizados en microelectrónica por otros nuevos.

En la actualidad, Intel® utiliza una tecnología de procesado de circuitos integrados basada en hafnio y dieléctricos de alta-k (figura).

Gracias a ella, la mitad de la distancia entre centro y centro de dos hilos conductores puede llegar a ser tan pequeña como 45 nanometros. Dado el grado de complejidad de la tecnología utilizada, cada vez una mayor parte del procesado de los chips se lleva a cabo mediante control por software, haciéndose únicamente necesaria la intervención del personal cuando hay que revisar o reparar alguna máquina.

Esta tecnología abre nuevos horizontes en la electrónica actual, y puede que, en algunos años, ya no se estudien en la universidad los transistores basados en tecnología CMOS, sino en tecnología de dieléctricos de alta-k.

Cuando se habla de transistores, le viene a uno a la cabeza la imagen de complejos circuitos electrónicos, con cientos de dispositivos de los que se desconoce tanto su utilidad como el porqué la creciente obsesión de los investigadores de disminuir todo lo posible su tamaño y aumentar su rapidez de respuesta.

Por tanto la cuestión en primer lugar sería, ¿qué es un transistor y para qué sirve? Los transistores son pequeños dispositivos eléctricos que permiten amplificar la corriente eléctrica que pasa por ellos, y que, según sea necesario, pueden permitir o interrumpir el paso de dicha corriente. Los transistores están en prácticamente la mayoría de los dispositivos de uso diario, desde radios, televisores, reproductores de audio, vídeo o mp3, móviles, microondas o automóviles, hasta otros más sofisticados como relojes de cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X o incluso ecógrafos.

Ahora podemos llegar a entender porqué interesa que su tamaño sea el mínimo posible y su capacidad de respuesta, máxima. No interesaría fabricar una calculadora de dimensiones desmesuradas, y que encima funcionara a paso de tortuga.

¿Y qué se ha hecho para conseguir esto? Aplicar la nanotecnología a estos dispositivos; en concreto, fabricar transistores con nanotubos de carbono.

Éstos son tubos compuestos únicamente de carbono, que pueden alcanzar hasta algunos milímetros de largo, pero cuyo diámetro es 1.000.000.000 veces menor que un metro, es decir, que  tienen un tamaño tan pequeño que podríamos acomodar 50.000 nanotubos de carbono en el espesor de un pelo,  y que además poseen unas propiedades tan excelentes como ser casi 100 veces más fuertes que el acero. Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes así como más conductoras jamás conocidas, siendo capaces de transportar la corriente eléctrica prácticamente sin fricción sobre la superficie; esta alta movilidad de los electrones permitiría compatibilidad con las aplicaciones tecnológicas de gran velocidad. Por tanto pueden actuar como semiconductores, que son los materiales con los que se fabrican los transistores de los que antes hemos hablado.

Al fabricar transistores con nanotubos de carbono se consigue reducir drásticamente su tamaño, y por tanto poder meter muchos más transistores dentro de un mismo chip o microprocesador con el consecuente aumento de la velocidad de respuesta de los dispositivos electrónicos.

IBM anunció en el año 2002 que había creado los transistores de nanotubo de más alto desempeño hasta la fecha, superando incluso a los prototipos de transistores de silicio del momento: “Los investigadores de IBM obtuvieron la transconductancia (medida de la capacidad de corriente) más alta lograda a la fecha entre los transistores de nanotubo de carbono. Una transconductancia alta implica que los transistores pueden operar más rápidamente, por lo que los circuitos integrados resultantes son más poderosos”.

En noviembre del año 2004, Infineon Technologies presentó el transistor de nanotubos de carbono más pequeño  del mundo, con un tamaño de 18 nanómetros.

Esta compañía fue pionera en la cultivación de nanotubos de carbono en puntos definidos con mucha precisión, lo cual como veremos más adelante, es el principal problema que supone la fabricación de estos innovadores dispositivos.

Los nanotubos de carbono de este minúsculo y único transistor tienen diámetros comprendidos entre 0,7 y 1,1 nanómetros. El transistor es capaz de trasladar corrientes en exceso de 15 µA a un voltaje de solo 0,4 V (lo normal es 0,7 V) y se cree que con la aplicación de nanotubos de carbono se podrían lograr voltajes de suministro tan bajo como 0,35V.

Actualmente los procesadores Core 2 Duo de Intel ponen de manifiesto el uso cotidiano de la nanotecnología con sus transistores de 45 nanómetros, y está previsto que para el año 2009 su tamaño se reduzca a 32  nanómetros. Estos transistores no son de nanotubos de carbono, pero Intel está estudiando sacar al mercado esta nueva tecnología en un futuro no muy lejano, ya que cabe esperar que los circuitos de silicio convencionales alcancen un límite físico de unos 10 nanómetros en los próximos 15 años aproximadamente.

A pesar de la gran cantidad de ventajas que presentan estos dispositivos, el problema de la aplicación de la nanotecnología del carbono a los transistores es la complejidad de su fabricación en cuanto a la colocación de los nanotubos en el lugar deseado. En referencia a esto, los avances son constantes pero lentos. Parece ser que el zafiro  (http://www.euroresidentes.com/Blogs/noticias/2006/02/transistores-y-sistemas-electrnicos.html)  cristalino como sustrato facilitaría la colocación ordenada de nanotubos de carbono, permitiendo así la fabricación de transistores flexibles. Pero las investigaciones al respecto siguen a la orden del día. Los últimos avances ponen de manifiesto transistores que, en su función de interruptores automáticos, alcanzan frecuencias de corte de 30 GHz. La técnica utilizada para su fabricación se conoce como dielectroforesis, y permite una deposición uniforme de los nanotubos de carbono alineados sobre un sustrato de silicio. 

En la actualidad, la tecnología representa el principal sustento para el desarrollo de un país. Cada vez más, surgen noticias de descubrimientos tecnológicos que mejoran la calidad de vida, y buscan soluciones a los problemas existentes, sacando el máximo partido de los recursos de los que disponemos.
Si navegamos en esa dirección, nos encontramos con la informática y la nanotecnología, campos muy relacionados que hoy en día han llegado a ser primos-hermanos. Todo ello, para dar lugar al desarrollo de un campo muy prometedor como es la nanoelectrónica. ¿Quién impulsa a quién? Una pregunta difícil. ¿Acaso el hecho de querer mejorar las prestaciones de la informática impulsó el desarrollo de la nanotecnología e hizo que continuara el estudio de sus aplicaciones demostrando que ahí estaba el futuro? ¿O es la nanotecnología la que impulsa a la informática permitiendo mejorar sus prestaciones y servicios? En cualquier caso, está claro que ambos campos trabajan en simbiosis, sustentándose el uno en el otro. Y lo que es más importante aún, su futuro depende de ello.Moore no estaba equivocado cuando predijo su ley, al menos no hasta ahora. Lo que él quizás no sabía era que detrás de tan osada predicción se encontraba la aparición y el auge de una nueva revolución: la revolución nanotecnológica. Y sólo hay que observar y darse cuenta de que es una opinión generalizada que "miniaturización" es sinónimo de éxito. Y que lo "nano" está de moda ahora. La nanotecnología está empezando a cubrir no sólo el campo de la informática y de la electrónica, sino también el campo de la medicina, las energías renovables, el medio ambiente, la química, el campo farmacéutico, la alimentación e, incluso, los videojuegos. Recientemente leí en una revista que se había creado un videojuego que impulsaba la divulgación de la nanociencia animando así a la gente a alimentar su curiosidad sobre este tema; hecho que nos demuestra que estos días cualquier cosa es posible con un poco de imaginación. Dicho videojuego se llama curiosamente "Nanowars", (la guerra de lo nano), y en él se trata de derrotar al Dr. Nevil y salvar el mundo usando la nano-imaginación, creando nano-máquinas y utilizando nanomateriales ¡Y los científicos tan preocupados por el tema de la divulgación de la nanociencia! Leer más »

Me disponía a escribir este artículo cuando una última duda me ha hecho volver a levantarme. He buscado la habitual cinta métrica olvidada en la caja de herramientas de mi casa y he medido las dimensiones de la CPU desde la que escribo. Les advierto que las primeras conclusiones, similares a las que tendrán ustedes si navegan desde un ordenador convencional, no han sido muy alentadoras: 18×42x48 centímetros. Digo esto porque el concepto de la nanotecnología, tan en auge estos últimos años y centro de las esperanzas de científicos de las más diversas áreas, se puede definir como el “estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala (nanometros)” y aparentemente la informática estaría muy lejos de la nanotecnología. Recordemos, como aparece en anteriores mensajes del blog, que 1 nanometro es igual a 10E-9 metros; más gráficamente, 1 pelo humano tiene el grosor aproximado de 100.000 nm. Entonces, ¿cómo estamos de lejos? ¿Qué tiene la nanotecnología de realidad en los últimos años? El mismo ejemplo del ordenador (ya introducido en este blog aquí) y visto premeditadamente de forma extraña al medir la torre de la CPU en la introducción, nos servirá para responder esta cuestión y comprobar la evolución de la informática en cuanto a tamaño.

Un procesador es la parte fundamental de un ordenador, así que nos centraremos en su estudio. En 1971 con la aparición del primer microprocesador (Intel 4004) se pudo insertar un procesador en un único chip, y desde entonces la mejora continua de potencia ha venido acompañada de una constante reducción de tamaño de los componentes existentes para poder integrar más elementos en la misma región (en la informática, estos componentes que se reproducen actualmente por billones en los chips son los transistores). El Intel 2004, poseía 2300 transistores y tenía un área de 10 mm2. ). Dando un salto en el tiempo de aproximadamente 30 años, encontramos los más recientes procesadores Pentium 4 de 112 mm2, con 125 millones de transistores, o el popular Core 2 Duo, con un área de 90 mm2 y 152 millones de transistores.

La primera conclusión es que para que esto haya sido posible el tamaño de los transistores ha tenido que disminuir de forma muy significativa. Las implementaciones del Pentium 4 trabajan con una tecnología de 90 nm (diámetro de un transistor), y en el Core 2 Duo con una tecnología de 65 nm (tamaños inferiores al de, por ejemplo, el virus Influenza como se aprecia en la imagen). Con los métodos actuales parece viable alcanzar una tecnología de hasta 15-20 nm. Este ejemplo pone de manifiesto la evolución de la informática, en la que ya se trabaja en escala nanométrica en los procesadores que usamos habitualmente (incluido éste en el que escribo, aunque esté “rodeado” de otros componentes), augura que la reducción de la información no se detiene y que la nanotecnología está ya en el mundo en que vivimos.

El uso de nuevas moléculas, que están en experimentación y no se usan actualmente en los ordenadores de uso personal, ya se está convirtiendo en el foco de muchos proyectos relacionados con la nanotecnología. Por ello y para terminar con el torrente de medidas sobre ordenadores, destacar uno de estos proyectos que pretende realizar un ordenador (autónomo e independiente) del tamaño de un grano de arena en Escocia

De aquí se desprenden 2 utilidades: por una parte el uso en arterias u otras regiones que requieren chips de tamaño muy reducido, y por otra permitir que se construyan objetos básicos de potencia limitada que puedan interconectarse en redes, por millones, para desarrollar una tarea de forma mucho más rápida. Si la expansión de la nanotecnología se mantiene al nivel previsto y su base teórica así parece corroborarlo, conseguirá una potencia de procesamiento sin comparación con cualquier ordenador actual, por rápido y complejo que éste parezca.

En el año 1965 el número de elementos transistores en un microprocesador rondaba los 2000. Bajo estas limitaciones en la capacidad de cálculo de los ordenadores, el cofundador de la compañía Intel, Gordon Moore (líder mundial junto con AMD en el desarrollo de microprocesadores), hizo una predicción de futuro conocida como “ley de Moore”. Dicha ley establece que:

“El número de elementos transistores por microprocesador se duplicará cada dos años”

Esta ley aunque muy simple y poco realista en sus orígenes se ha cumplido año tras año, pero, ¿hasta cuando la ley de Moore?.