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  • Por primera vez, los transistores de nanotubos de carbono superan al silicio

    Los ingenieros de UW-Madison utilizan un proceso de solución para depositar matrices alineadas de nanotubos de carbono en sustratos de 1 pulgada por 1 pulgada. Los investigadores utilizaron su proceso de deposición rápido y escalable para cubrir toda la superficie de este sustrato con nanotubos de carbono alineados en menos de 5 minutos. El avance del equipo podría allanar el camino para que los transistores de nanotubos de carbono reemplacen a los transistores de silicio, y es particularmente prometedor para las tecnologías de comunicaciones inalámbricas. Crédito:Stephanie Precourt

    Por décadas, Los científicos han intentado aprovechar las propiedades únicas de los nanotubos de carbono para crear componentes electrónicos de alto rendimiento que sean más rápidos o consuman menos energía, lo que da como resultado una mayor duración de la batería. comunicación inalámbrica más rápida y velocidades de procesamiento más rápidas para dispositivos como teléfonos inteligentes y computadoras portátiles.

    Pero una serie de desafíos han impedido el desarrollo de transistores de alto rendimiento hechos de nanotubos de carbono, diminutos cilindros hechos de carbono con un solo átomo de espesor. Como consecuencia, su rendimiento se ha quedado muy por detrás de los semiconductores como el silicio y el arseniuro de galio utilizados en chips de computadora y electrónica personal.

    Ahora, por primera vez, Los ingenieros de materiales de la Universidad de Wisconsin-Madison han creado transistores de nanotubos de carbono que superan a los transistores de silicio de última generación.

    Dirigido por Michael Arnold y Padma Gopalan, Profesores de ciencia e ingeniería de materiales de la UW-Madison, Los transistores de nanotubos de carbono del equipo lograron una corriente 1,9 veces más alta que los transistores de silicio. Los investigadores informaron su avance en un artículo publicado el viernes (2 de septiembre) en la revista Avances de la ciencia .

    "Este logro ha sido un sueño de la nanotecnología durante los últimos 20 años, "dice Arnold." Hacer transistores de nanotubos de carbono que sean mejores que los transistores de silicio es un gran hito. Este avance en el rendimiento de los transistores de nanotubos de carbono es un avance crítico hacia la explotación de los nanotubos de carbono en lógica, comunicaciones de alta velocidad, y otras tecnologías de electrónica de semiconductores ".

    Este avance podría allanar el camino para que los transistores de nanotubos de carbono reemplacen a los transistores de silicio y continúen brindando las ganancias de rendimiento de las que depende la industria de la computación y que los consumidores demandan. Los nuevos transistores son particularmente prometedores para las tecnologías de comunicaciones inalámbricas que requieren mucha corriente que fluye a través de un área relativamente pequeña.

    Como descubrieron algunos de los mejores conductores eléctricos, Los nanotubos de carbono han sido reconocidos durante mucho tiempo como un material prometedor para los transistores de próxima generación.

    Los transistores de nanotubos de carbono deberían poder funcionar cinco veces más rápido o usar cinco veces menos energía que los transistores de silicio. según extrapolaciones de mediciones de un solo nanotubo. La dimensión ultrapequeña del nanotubo permite cambiar rápidamente una señal de corriente que viaja a través de él. lo que podría conducir a ganancias sustanciales en el ancho de banda de los dispositivos de comunicaciones inalámbricas.

    Pero los investigadores han luchado por aislar exclusivamente nanotubos de carbono, que son cruciales, porque las impurezas de nanotubos metálicos actúan como cables de cobre y alteran sus propiedades semiconductoras, como un cortocircuito en un dispositivo electrónico.

    El equipo de UW-Madison utilizó polímeros para clasificar selectivamente los nanotubos semiconductores, logrando una solución de nanotubos de carbono semiconductores de ultra alta pureza.

    El profesor asociado Michael Arnold y el estudiante de posgrado Gerald Brady, el autor principal de la Avances de la ciencia papel. Al hacer transistores de nanotubos de carbono que, por primera vez, superar los transistores de silicio de última generación, los investigadores han logrado un gran hito en nanotecnología. Crédito:Stephanie Precourt

    "Hemos identificado condiciones específicas en las que puede deshacerse de casi todos los nanotubos metálicos, donde tenemos menos del 0.01 por ciento de nanotubos metálicos, "dice Arnold.

    La colocación y alineación de los nanotubos también es difícil de controlar.

    Para hacer un buen transistor, los nanotubos deben alinearse en el orden correcto, con el espacio adecuado cuando se ensambla en una oblea. En 2014, los investigadores de UW-Madison superaron ese desafío cuando anunciaron una técnica, llamado "autoensamblaje evaporativo flotante, "eso les da este control.

    Los nanotubos deben hacer buenos contactos eléctricos con los electrodos metálicos del transistor. Debido a que el polímero que utilizan los investigadores de UW-Madison para aislar los nanotubos semiconductores también actúa como una capa aislante entre los nanotubos y los electrodos, el equipo "horneó" las matrices de nanotubos en un horno de vacío para eliminar la capa aislante. El resultado:excelentes contactos eléctricos con los nanotubos.

    Los investigadores también desarrollaron un tratamiento que elimina los residuos de los nanotubos después de que se procesan en solución.

    "En nuestra investigación, hemos demostrado que podemos superar simultáneamente todos estos desafíos de trabajar con nanotubos, y eso nos ha permitido crear estos innovadores transistores de nanotubos de carbono que superan a los transistores de silicio y arseniuro de galio, "dice Arnold.

    Los investigadores compararon su transistor de nanotubos de carbono con un transistor de silicio del mismo tamaño, geometría y corriente de fuga para hacer una comparación de manzanas con manzanas.

    Continúan trabajando para adaptar su dispositivo para que coincida con la geometría utilizada en los transistores de silicio, que se hacen más pequeños con cada nueva generación. También se está trabajando para desarrollar amplificadores de radiofrecuencia de alto rendimiento que puedan potenciar la señal de un teléfono celular. Si bien los investigadores ya han escalado su proceso de alineación y deposición a obleas de 1 pulgada por 1 pulgada, están trabajando en la ampliación del proceso para la producción comercial.

    Arnold dice que es emocionante llegar finalmente al punto en el que los investigadores pueden explotar los nanotubos para lograr ganancias de rendimiento en tecnologías reales.

    "Ha habido mucha publicidad sobre los nanotubos de carbono que no se ha hecho realidad, y eso ha agriado la perspectiva de muchas personas, ", dice." Pero creemos que la exageración es merecida. Ha sido necesario décadas de trabajo para que la ciencia de los materiales se ponga al día y nos permita aprovechar estos materiales de manera eficaz ".

    Los investigadores han patentado su tecnología a través de la Wisconsin Alumni Research Foundation.


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