Transistor de grafeno, el transistor más pequeño
Generalmente se considera que el límite de procesamiento de los materiales de silicio es un ancho de línea de 10 nanómetros. Restringido por principios físicos, es imposible producir productos con rendimiento estable y mayor integración después de menos de 10 nanómetros. Sin embargo, un nuevo tipo de transistor inventado por científicos británicos prolongará la vida de la Ley de Moore. Se espera que el transistor suponga un gran avance en el desarrollo de nuevos chips informáticos ultrarrápidos. Vale la pena mencionar que los principales desarrolladores del transistor más pequeño del mundo son también los que desarrollaron el grafeno en 2004. Son el profesor Andre K. Geim y el profesor Andre Geim del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Manchester en el Reino Unido. El investigador Kostya Novoselov. Fue por su desarrollo del grafeno que fueron nominados al Premio Nobel de Física de 2008.
El transistor más pequeño del mundo desarrollado por científicos británicos dirigidos por las dos personas mencionadas anteriormente tiene solo 1 átomo de espesor y 10 átomos de ancho. El material utilizado es grafeno compuesto de una sola capa atómica. El grafeno, como nuevo material semiconductor, ha recibido una amplia atención por parte de la comunidad científica en los últimos años. Los científicos británicos utilizaron tecnología de transistores estándar, primero utilizando un haz de electrones para tallar un canal en una película de grafito de una sola capa. Luego, los electrones se sellan en la parte central restante llamada "isla" para formar un punto cuántico. La estructura de la parte de puerta del transistor de grafeno consta de más de 10 nanómetros de puntos cuánticos intercalados por unos pocos nanómetros de medio aislante. Estos puntos cuánticos suelen denominarse "islas de carga". Dado que la conductividad del punto cuántico cambia cuando se aplica un voltaje, el punto cuántico puede recordar el estado lógico del transistor como un transistor de efecto de campo estándar. También se informa que el equipo de investigación científica dirigido por el profesor Andre Heim de la Universidad de Manchester en el Reino Unido ha desarrollado un transistor de grafeno a escala de 10 nanómetros que realmente puede funcionar. Sus últimos resultados de investigación que aún no se han anunciado incluyen: Desarrolló un transistor de grafeno más pequeño con una molécula de largo y ancho. El transistor de grafeno es en realidad un transistor hecho de átomos individuales.
Materiales semiconductores sorprendentes
El Dr. Novoselov de la Universidad de Manchester, uno de los desarrolladores del grafeno, señaló que el grafeno es una "mina de oro" en el campo de la investigación y tiene Se ha utilizado durante mucho tiempo. Durante un período de tiempo, los investigadores continuarán "extrayendo" nuevos resultados de investigación.
Entonces, ¿qué es el grafeno? El grafeno es una película de átomos de carbono de una sola capa despegada del material de grafito. Es un cristal bidimensional en forma de panal compuesto por una sola capa de átomos de carbono de células hexagonales. En otras palabras, es una película de cristal de grafito de una sola capa cuya red es una estructura de panal bidimensional compuesta de átomos de carbono. El espesor de esta película de cristal de grafito es de sólo 0,335 nanómetros. Si se apilan 200.000 películas, esto sólo equivale al espesor de un cabello. El material tiene muchas propiedades físicas novedosas. El grafeno es un material semiconductor de banda prohibida cero con una movilidad de portador mucho mayor que el silicio y, en teoría, su movilidad de electrones y movilidad de huecos son iguales, por lo que su transistor de efecto de campo tipo n es simétrico al transistor de efecto de campo tipo p. Además, debido a que tiene características de banda prohibida cero, el camino libre medio y la longitud de coherencia de los portadores en el grafeno pueden estar en el nivel de micras incluso a temperatura ambiente, por lo que es un material semiconductor con un rendimiento excelente. Además, el grafeno también se puede utilizar para fabricar materiales compuestos, baterías/supercondensadores, materiales de almacenamiento de hidrógeno, materiales de emisión de campo y sensores ultrasensibles. Por ello, los investigadores científicos se apresuran a estudiar cómo prepararlos y caracterizar sus propiedades físicas, químicas y mecánicas.
Una de las razones por las que los científicos están interesados en el grafeno es que se inspiraron en los resultados de la investigación científica de los nanotubos de carbono. Es probable que el grafeno se convierta en un sustituto del silicio. De hecho, los nanotubos de carbono son microláminas de grafeno enrolladas en cilindros, al igual que los nanotubos de carbono, tienen excelentes propiedades electrónicas y pueden utilizarse para fabricar productos electrónicos de rendimiento ultraalto. Su ventaja sobre los nanotubos de carbono es que los nanotubos deben ser examinados y colocados cuidadosamente al realizar circuitos complejos, y aún no se han desarrollado métodos muy buenos, mientras que esto es mucho más fácil con el grafeno.
Los procesadores de microordenadores basados en silicio solo pueden realizar un cierto número de operaciones por segundo a temperatura ambiente, pero los electrones pasan a través del grafeno casi sin resistencia y generan muy poco calor. Además, el grafeno en sí es un buen conductor térmico y puede disipar el calor rápidamente. Debido a sus propiedades superiores, los componentes electrónicos fabricados con grafeno funcionan mucho más rápido. Los expertos pertinentes señalaron: "La velocidad del silicio tiene un límite. Sólo puede llegar a este punto y no se puede mejorar". En la actualidad, la velocidad de funcionamiento de los dispositivos de silicio ha alcanzado el rango de los gigahercios.
Las computadoras fabricadas con dispositivos de grafeno pueden funcionar a velocidades de terahercios, que es 1.000 veces más rápida que 1 gigahercio. Si se puede desarrollar más, su importancia es evidente.
Además de hacer que los ordenadores funcionen más rápido, los dispositivos de grafeno también se pueden utilizar en tecnologías de comunicación e imágenes que requieren un funcionamiento de alta velocidad. Los expertos pertinentes creen que es probable que el grafeno se utilice por primera vez en campos de alta frecuencia, como la obtención de imágenes de ondas de terahercios. Uno de sus usos es la detección de armas ocultas. Sin embargo, la velocidad no es la única ventaja del grafeno. El silicio no se puede cortar en trozos de menos de 10 nanómetros o perderá sus atractivas propiedades electrónicas. En comparación con el silicio, cuando el grafeno se divide en pequeños trozos nanométricos, sus propiedades físicas básicas no cambian y sus propiedades electrónicas también pueden mostrarse anormales.
Los resultados de la investigación se publican uno tras otro
Los experimentos de un equipo de investigación dirigido por Michael S. Fuhrer, profesor de física en el Centro de Nanotecnología y Materiales Avanzados de la Universidad de Maryland, muestran que la movilidad electrónica del grafeno no cambia con la temperatura y cambia. Midieron la movilidad electrónica del grafeno entre 50 Kelvin y 500 Kelvin y descubrieron que la movilidad electrónica era de aproximadamente 150.000 cm2/Vs independientemente del cambio de temperatura. La movilidad electrónica del silicio es de 1400 cm2/Vs. La velocidad de transmisión de electrones en el grafeno es 100 veces más rápida que la del silicio, por lo que el futuro material semiconductor será el grafeno en lugar del silicio. Esto permitirá el desarrollo de chips informáticos y sensores bioquímicos de mayor velocidad. También midieron por primera vez el efecto de vibración térmica de la conducción de electrones en el grafeno. Los resultados experimentales mostraron que el efecto de vibración térmica de la conducción de electrones en el grafeno era muy pequeño.
Los resultados de los cálculos de los investigadores Ming Pingbing y los colaboradores Liu Fang y Li Ju del Instituto de Matemáticas y Ciencias de Sistemas de la Academia de Ciencias de China muestran que se predice que la fuerza ideal del grafeno será de 110GPa~121GPa. Esto significa que el grafeno es actualmente el material más fuerte conocido por la humanidad.
El equipo de investigación de James Hone y Jeffrey Kysar de la Universidad de Columbia anunció en la revista Science en julio de 2008 que el grafeno es el material más fuerte conocido en el mundo. Descubrieron que la presión máxima que podían soportar las partículas de muestra de grafeno por cada 100 nanómetros antes de comenzar a fragmentarse era de aproximadamente 2,9 micronewtons. Este resultado equivale a aplicar una presión de 55 Newtons para romper un metro de grafeno.
Si se pudiera fabricar grafeno con un grosor equivalente al de una bolsa de embalaje de plástico (unos 100 nanómetros de grosor), se necesitarían unos 20.000 Newtons de presión para romperlo. Esto significa que el grafeno es más duro que el diamante.
Se anunció en la revista "Science" el 26 de septiembre de 2008 que Cai Weiwei, un estudiante de doctorado del Instituto de Física de la Academia China de Ciencias/Laboratorio Nacional de Física de la Materia Condensada de Beijing, del Instituto Cuántico de Estado Sólido Information Laboratory, fue a la Universidad de Texas en Austin, Estados Unidos, durante el período del campus, bajo la dirección del profesor Rodney Ruoff y el investigador Chen Dongmin, se preparó grafito sintético de isótopo 13C de alta calidad y se disoció aún más el grafito 13C. en grafeno 13C y su derivado óxido de grafeno 13C. El análisis del material reveló la estructura química del óxido de grafeno, largamente debatida.
Transistor de grafeno de bajo ruido
En marzo de 2008, los científicos del Centro de Investigación Watson de IBM se convirtieron en los primeros en el mundo en fabricar un transistor de grafeno de bajo ruido.
A medida que disminuye el tamaño de los nanodispositivos comunes, el ruido llamado 1/f se volverá cada vez más evidente, empeorando la relación señal-ruido del dispositivo. Este fenómeno es la "ley de Hooge" y es producido por grafeno, nanotubos de carbono y materiales de silicio. Por lo tanto, cómo reducir el ruido 1/f se ha convertido en una de las cuestiones clave en la realización de nanocomponentes. IBM produjo con éxito un transistor superponiendo dos capas de grafeno. Debido al fuerte enlace electrónico generado entre las dos capas de grafeno, se controla el ruido 1/f. El descubrimiento del investigador chino de IBM Ming-Yu Lin demuestra que se espera que el grafeno de dos capas se utilice en diversos campos.
En mayo de 2008, Dehill, profesor del Instituto de Tecnología de Georgia en Estados Unidos, colaboró con el Laboratorio Lincoln del MIT para generar cientos de matrices de transistores de grafeno en un solo chip.
A finales de junio de 2008, el profesor Suemitsu Maki del Instituto de Tecnología Eléctrica y de Comunicaciones de la Universidad de Tohoku en Japón generó una película de grafito de una sola capa, concretamente grafeno, sobre un sustrato de silicio. Puede lograr un funcionamiento de alta velocidad del dispositivo sin encogerlo y puede usarse, por ejemplo, para producir dispositivos de alta frecuencia de nivel 1012 Hz y supermicroprocesadores por segundo.
Una película de grafito de una sola capa es difícil de fabricar y tiene una estructura de grafito en forma de panal con un espesor de un solo átomo de carbono. El equipo del profesor Suemitsu controló la dirección de cristalización del carburo de silicio durante la formación y la dirección de cristalización del corte del sustrato de silicio, y obtuvo una película de grafito de dos capas con un área de 100 × 150 micrones cuadrados, con una tasa de distorsión de la red de solo el 1,7%. . Otros equipos de investigación científica han utilizado métodos tradicionales con una tasa de distorsión de la red del 20%, lo que les impide producir dispositivos que puedan usarse en aplicaciones prácticas. El método del profesor Suemitsu consiste en calentar el sustrato de carburo de silicio a más de 1.000 grados en condiciones de vacío para eliminar el silicio y el carbono restante y formar una película de grafito de una sola capa mediante autoorganización.