Crean el primer semiconductor funcional del mundo hecho de grafeno

Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han creado el primer semiconductor funcional del mundo hecho de grafeno, una única hoja de átomos de carbono unidos por los enlaces más fuertes conocidos. Los semiconductores, que son materiales que conducen electricidad en condiciones específicas, son componentes fundamentales de los dispositivos electrónicos. El avance del equipo abre la puerta a una nueva forma de hacer electrónica.

Su descubrimiento llega en un momento en que el silicio, el material del que están hechos casi todos los dispositivos electrónicos modernos, está llegando a su límite ante una computación cada vez más rápida y dispositivos electrónicos más pequeños.

Walter de Heer , profesor de física Regents en Georgia Tech, dirigió un equipo de investigadores con sede en Atlanta, Georgia, y Tianjin, China, para producir un semiconductor de grafeno que sea compatible con los métodos de procesamiento de microelectrónica convencionales, una necesidad para cualquier alternativa viable al silicio.

En esta última investigación, publicada en Nature , de Heer y su equipo superaron el principal obstáculo que ha estado plagando la investigación del grafeno durante décadas, y la razón por la que muchos pensaban que la electrónica del grafeno nunca funcionaría. Conocida como "banda prohibida", es una propiedad electrónica crucial que permite que los semiconductores se enciendan y apaguen. El grafeno no tenía banda prohibida... hasta ahora.

"Ahora tenemos un semiconductor de grafeno extremadamente robusto con 10 veces la movilidad del silicio y que también tiene propiedades únicas que no están disponibles en el silicio", dijo de Heer. "Pero la historia de nuestro trabajo durante los últimos 10 años ha sido: '¿Podemos conseguir que este material sea lo suficientemente bueno para funcionar?'"

Un nuevo tipo de semiconductor

De Heer comenzó a explorar materiales a base de carbono como semiconductores potenciales al principio de su carrera, y luego cambió al grafeno 2D en 2001. En ese momento sabía que el grafeno tenía potencial para la electrónica.

"Nos motivó la esperanza de introducir tres propiedades especiales del grafeno en la electrónica", afirmó. "Es un material extremadamente robusto, que puede soportar corrientes muy grandes y puede hacerlo sin calentarse ni desmoronarse".

De Heer logró un gran avance cuando él y su equipo descubrieron cómo cultivar grafeno en obleas de carburo de silicio utilizando hornos especiales. Produjeron grafeno epitaxial, que es una capa única que crece sobre una cara cristalina del carburo de silicio. El equipo descubrió que cuando se fabricaba correctamente, el grafeno epitaxial se unía químicamente al carburo de silicio y comenzaba a mostrar propiedades semiconductoras.

Durante la siguiente década, persistieron en perfeccionar el material en Georgia Tech y más tarde en colaboración con colegas del Centro Internacional de Nanopartículas y Nanosistemas de Tianjin en la Universidad de Tianjin en China. De Heer fundó el centro en 2014 con Lei Ma, directora del centro y coautora del artículo.

Cómo lo hicieron

En su forma natural, el grafeno no es ni un semiconductor ni un metal, sino un semimetal. Una banda prohibida es un material que se puede activar y desactivar cuando se le aplica un campo eléctrico, que es como funcionan todos los transistores y la electrónica de silicio. La pregunta principal en la investigación de la electrónica del grafeno era cómo encenderlo y apagarlo para que funcione como el silicio.

Pero para fabricar un transistor funcional, un material semiconductor debe ser manipulado en gran medida, lo que puede dañar sus propiedades. Para demostrar que su plataforma podía funcionar como un semiconductor viable, el equipo necesitaba medir sus propiedades electrónicas sin dañarla.

Pusieron átomos en el grafeno que "donaron" electrones al sistema, una técnica llamada dopaje, que se utiliza para ver si el material era un buen conductor. Funcionó sin dañar el material ni sus propiedades.

Las mediciones del equipo mostraron que su semiconductor de grafeno tiene una movilidad 10 veces mayor que la del silicio. En otras palabras, los electrones se mueven con una resistencia muy baja, lo que, en electrónica, se traduce en una computación más rápida. "Es como conducir por un camino de grava versus conducir por una autopista", dijo de Heer. "Es más eficiente, no se calienta tanto y permite velocidades más altas para que los electrones puedan moverse más rápido".

El producto del equipo es actualmente el único semiconductor bidimensional que tiene todas las propiedades necesarias para ser utilizado en nanoelectrónica, y sus propiedades eléctricas son muy superiores a las de cualquier otro semiconductor 2D actualmente en desarrollo.

"Un problema en la electrónica del grafeno es que el grafeno no tenía la banda prohibida adecuada y no podía encenderse y apagarse en la proporción correcta", dijo Ma. "A lo largo de los años, muchos han intentado abordar esto con un variedad de métodos. Nuestra tecnología logra la banda prohibida y es un paso crucial en la realización de la electrónica basada en grafeno".

Avanzando

El grafeno epitaxial podría provocar un cambio de paradigma en el campo de la electrónica y permitir tecnologías completamente nuevas que aprovechen sus propiedades únicas. El material permite aprovechar las propiedades ondulatorias de la mecánica cuántica de los electrones, lo cual es un requisito para la computación cuántica.

"Nuestra motivación para hacer electrónica con grafeno ha estado ahí durante mucho tiempo, y el resto era simplemente hacerlo realidad", dijo de Heer. "Tuvimos que aprender cómo tratar el material, cómo hacerlo cada vez mejor y, finalmente, cómo medir las propiedades. Eso llevó mucho, mucho tiempo".

Según de Heer, no es raro ver otra generación de productos electrónicos en camino. Antes del silicio, existían los tubos de vacío, y antes de eso, los cables y los telégrafos. El silicio es uno de los muchos pasos en la historia de la electrónica y el siguiente podría ser el grafeno.

"Para mí, esto es como el momento de los hermanos Wright", dijo de Heer. "Construyeron un avión que podía volar 300 pies en el aire. Pero los escépticos preguntaron por qué el mundo necesitaría vuelos cuando ya tenía trenes y barcos rápidos. Pero persistieron, y fue el comienzo de una tecnología que puede llevar a las personas a través de océanos".