(PhysOrg.com) - Un proyecto de investigación colaborativa ha llevado al mundo un paso más cerca de producir un nuevo material en el que se podría basar la nanotecnología del futuro. Investigadores de toda Europa, incluido el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido (NPL), han demostrado cómo un material increíble, grafeno podría ser la clave del futuro de la electrónica de alta velocidad, como micro-chips y tecnología de pantalla táctil.

El grafeno ha demostrado su potencial durante mucho tiempo, pero anteriormente solo se ha producido a muy pequeña escala, limitando qué tan bien podría medirse, entendido y desarrollado. Un artículo publicado el 17 de enero, en Nanotecnología de la naturaleza explica cómo los investigadores por primera vez, produjo grafeno a un tamaño y calidad en los que se puede desarrollar prácticamente, y midió con éxito sus características eléctricas. Estos importantes avances superan dos de las mayores barreras para escalar la tecnología.

Una tecnología para el futuro

El grafeno es una forma relativamente nueva de carbono formada por una sola capa de átomos dispuestos en una red en forma de panal. A pesar de ser un átomo de espesor y químicamente simple, el grafeno es extremadamente fuerte y altamente conductor, haciéndolo ideal para la electrónica de alta velocidad, fotónica y más.

El grafeno es un fuerte candidato para reemplazar los chips semiconductores. La ley de Moore observa que la densidad de transistores en un circuito integrado se duplica cada dos años, pero se cree que el silicio y otros materiales de transistores existentes están cerca del tamaño mínimo donde pueden seguir siendo efectivos. Los transistores de grafeno pueden funcionar potencialmente a velocidades más rápidas y hacer frente a temperaturas más altas. El grafeno podría ser la solución para garantizar que la tecnología informática siga creciendo en potencia mientras se reduce de tamaño, extendiendo la vida de la ley de Moore por muchos años.

Los grandes fabricantes de microchips como IBM e Intel han expresado abiertamente su interés en el potencial del grafeno como material en el que podría basarse la informática del futuro.

El grafeno también tiene potencial para nuevas y emocionantes innovaciones como la tecnología de pantalla táctil, Pantallas LCD y células solares. Su incomparable resistencia y transparencia lo hacen perfecto para estas aplicaciones, y su conductividad ofrecería un aumento dramático en la eficiencia de los materiales existentes.

Creciendo a un tamaño utilizable manteniendo la calidad

Hasta ahora, el grafeno de calidad suficiente solo se ha producido en forma de pequeñas escamas de diminutas fracciones de milímetro, utilizando métodos minuciosos como pelar capas de cristales de grafito con cinta adhesiva. La producción de productos electrónicos utilizables requiere que se cultiven áreas mucho más grandes de material. Este proyecto vio investigadores, por primera vez, producir y operar con éxito una gran cantidad de dispositivos electrónicos a partir de un área considerable de capas de grafeno (aproximadamente 50 mm ² ).

La muestra de grafeno, se produjo epitaxialmente, un proceso de crecimiento de una capa de cristal sobre otra, en carburo de silicio. Tener una muestra tan significativa no solo demuestra que se puede hacer de forma práctica, forma escalable, pero también permitió a los científicos comprender mejor propiedades importantes.

Resistencia de medición

El segundo avance clave del proyecto fue medir las características eléctricas del grafeno con una precisión sin precedentes. allanando el camino para el establecimiento de estándares convenientes y precisos. Para que productos como los transistores en las computadoras funcionen de manera efectiva y sean comercialmente viables, los fabricantes deben poder realizar tales mediciones con una precisión increíble en comparación con un estándar internacional acordado.

El estándar internacional de resistencia eléctrica lo proporciona el Quantum Hall Effect, un fenómeno por el cual las propiedades eléctricas en materiales 2D se pueden determinar basándose solo en constantes fundamentales de la naturaleza.

El efecto tiene, hasta ahora, sólo se ha demostrado con suficiente precisión en un pequeño número de semiconductores convencionales. Es más, tales mediciones necesitan temperaturas cercanas al cero absoluto, combinado con campos magnéticos muy fuertes, y solo unos pocos laboratorios especializados en el mundo pueden lograr estas condiciones.

El grafeno se inclinó durante mucho tiempo para proporcionar un estándar aún mejor, pero las muestras fueron inadecuadas para probar esto. Al producir muestras de tamaño y calidad suficientes, y demostrar con precisión la resistencia Hall, el equipo demostró que el grafeno tiene el potencial de reemplazar a los semiconductores convencionales a gran escala.

Además, el grafeno muestra el efecto Hall cuántico a temperaturas mucho más altas. Esto significa que el estándar de resistencia al grafeno podría usarse mucho más ampliamente, ya que más laboratorios pueden lograr las condiciones requeridas para su uso. Además de sus ventajas de velocidad de funcionamiento y durabilidad, esto también aceleraría la producción y reduciría los costos de la tecnología electrónica futura basada en grafeno

El profesor Alexander Tzalenchuk del Grupo de Detección Cuántica de NPL y autor principal del artículo de Nature Nanotechnology observa:"Es realmente sensacional que una gran área de grafeno epitaxial haya demostrado no solo continuidad estructural, pero también el grado de perfección requerido para mediciones eléctricas precisas a la par con los semiconductores convencionales con una historia de desarrollo mucho más larga ".

¿Donde ahora?

El equipo de investigación no se contenta con dejarlo ahí. Esperan seguir demostrando una medición aún más precisa, así como una medición precisa a temperaturas aún más altas. Actualmente están buscando financiación de la UE para impulsar esto.

Dr. JT Janssen, un becario de NPL que trabajó en el proyecto, dijo:"Hemos sentado las bases para el futuro de la producción de grafeno, y nos esforzaremos en nuestra investigación en curso para proporcionar una mayor comprensión de este interesante material. El desafío para la industria en los próximos años será escalar el material de una manera práctica para satisfacer las nuevas demandas tecnológicas. Hemos dado un gran paso adelante, y una vez que los procesos de fabricación están en su lugar, esperamos que el grafeno ofrezca al mundo una alternativa más rápida y económica a los semiconductores convencionales ”.

El efecto Hall cuántico

Esto aparece cuando una corriente eléctrica fluye a través de un material bidimensional en un campo magnético perpendicular y el voltaje en el material se mide perpendicularmente tanto al flujo de corriente como al campo. Dentro de ciertos intervalos periódicos de campo, la relación de este voltaje transversal a la corriente, conocida como la resistencia Hall, está determinada sólo por una combinación conocida de constantes fundamentales de la naturaleza:la constante de Planck hy la carga del electrón e.

Debido a esta universalidad, el efecto Hall cuántico proporciona la base para el estándar de resistencia en principio independiente de una muestra particular, configuración de material o medición.

El efecto Quantum Hall tiene, hasta ahora, solo se ha demostrado con precisión con suficiente precisión en un pequeño número de semiconductores convencionales, tales como heteroestructuras de Si y del grupo III-V. Debido a su estructura electrónica única, el grafeno se inclinó durante mucho tiempo para proporcionar un estándar aún mejor, pero el pequeño tamaño de las escamas de grafeno y la calidad insuficiente de las primeras películas de grafeno no permitieron realizar mediciones precisas.