(PhysOrg.com) - Muévase sobre el silicio. Hay un nuevo material electrónico en la ciudad y va rápido. Ese material, el foco del Premio Nobel de Física 2010, es el grafeno, un nombre elegante para las capas extremadamente delgadas de átomos de carbono ordinarios dispuestos en una red de "alambre de gallinero". Estas capas, a veces solo un átomo de espesor, Conducir la electricidad prácticamente sin resistencia, muy poca generación de calor y menos consumo de energía que el silicio.

Con la fabricación de dispositivos de silicio acercándose a sus límites físicos, Muchos investigadores creen que el grafeno puede proporcionar un nuevo material de plataforma que permitiría a la industria de los semiconductores continuar su marcha hacia dispositivos electrónicos cada vez más pequeños y rápidos, un progreso descrito en la Ley de Moore. Aunque es probable que el grafeno nunca reemplace al silicio para las aplicaciones electrónicas cotidianas, podría convertirse en el material de elección para dispositivos de alto rendimiento.

Y, en última instancia, el grafeno podría generar una nueva generación de dispositivos diseñados para aprovechar sus propiedades únicas.

Desde el 2001, Georgia Tech se ha convertido en un líder mundial en el desarrollo de grafeno epitaxial, un tipo específico de grafeno que se puede cultivar en obleas grandes y modelar para su uso en la fabricación de productos electrónicos. En un artículo reciente publicado en la revista Nature Nanotechnology, Los investigadores de Georgia Tech informaron haber fabricado una matriz de 10, 000 transistores de puerta superior en un chip de 0,24 centímetros cuadrados, un logro que se cree que es la densidad más alta reportada hasta ahora en dispositivos de grafeno.

Al crear esa matriz, También demostraron un nuevo e inteligente enfoque para el cultivo de patrones complejos de grafeno en plantillas grabadas en carburo de silicio. La nueva técnica ofreció la solución a uno de los problemas más difíciles a los que se había enfrentado la electrónica de grafeno.

"Este es un paso significativo hacia la fabricación de productos electrónicos con grafeno, "dijo Walt de Heer, profesor de la Escuela de Física de Georgia Tech que fue pionero en el desarrollo del grafeno para la electrónica de alto rendimiento. "Este es otro paso que muestra que nuestro método de trabajo con grafeno epitaxial cultivado en carburo de silicio es el enfoque correcto y el que probablemente se utilizará para fabricar componentes electrónicos de grafeno".

Nanotubos de carbono desenrollados

Para de Heer, la historia del grafeno comienza con nanotubos de carbono, diminutas estructuras cilíndricas consideradas milagrosas cuando comenzaron a ser estudiadas por los científicos en 1991. De Heer estaba entre los investigadores entusiasmados con las propiedades de los nanotubos, cuya disposición única de átomos de carbono les dio propiedades físicas y electrónicas que los científicos creían que podrían ser la base de una nueva generación de dispositivos electrónicos.

Los nanotubos de carbono todavía tienen propiedades atractivas, pero la capacidad de hacerlos crecer de manera consistente e incorporarlos en aplicaciones de electrónica de alto volumen ha eludido hasta ahora a los investigadores. De Heer se dio cuenta antes que otros de que los nanotubos de carbono probablemente nunca se utilizarían para dispositivos electrónicos de gran volumen.

Pero también se dio cuenta de que la clave de las atractivas propiedades electrónicas de los nanotubos era la red creada por los átomos de carbono. ¿Por qué no simplemente cultivar esa celosía en una superficie plana, y utilizar técnicas de fabricación probadas en la industria de la microelectrónica para crear dispositivos de la misma forma que los circuitos integrados de silicio?

Al calentar carburo de silicio, un material electrónico ampliamente utilizado, de Heer y sus colegas pudieron expulsar átomos de silicio de la superficie, dejando solo la red de carbono en capas delgadas de grafeno lo suficientemente grandes como para hacer crecer los tipos de dispositivos electrónicos familiares para una generación de diseñadores de electrónica.

Ese proceso fue la base para una patente presentada en 2003, y para el apoyo de investigación inicial del fabricante de chips Intel. Desde entonces, El grupo de de Heer ha publicado docenas de artículos y ayudó a generar otros grupos de investigación que también utilizan grafeno epitaxial para dispositivos electrónicos. Aunque los científicos todavía están aprendiendo sobre el material, empresas como IBM han puesto en marcha programas de investigación basados ​​en grafeno epitaxial, y agencias como la National Science Foundation (NSF) y la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) han invertido en desarrollar el material para futuras aplicaciones electrónicas.

El trabajo de Georgia Tech en el desarrollo de grafeno epitaxial para la fabricación de dispositivos electrónicos fue reconocido en el documento de antecedentes elaborado por la Real Academia de Ciencias de Suecia como parte de la documentación del Premio Nobel.

La carrera para encontrar aplicaciones comerciales para el grafeno es intensa, con investigadores de Estados Unidos, Europa, Japón y Singapur participaron en esfuerzos bien financiados. Desde la concesión del Nobel a un grupo del Reino Unido, La avalancha de comunicados de prensa sobre los desarrollos del grafeno ha aumentado.

"Nuestro grafeno epitaxial ahora se utiliza en todo el mundo por muchos laboratorios de investigación, "De Heer señaló." Probablemente estemos en la etapa en la que estaba el silicio en la década de 1950. Este es el comienzo de algo que será muy grande e importante ".

El silicio "se está quedando sin gasolina"

Se necesita un nuevo material electrónico porque el silicio se está quedando sin sala de miniaturización.

"Ante todo, hemos obtenido los aumentos de velocidad del silicio al reducir continuamente el tamaño de las funciones y mejorar la tecnología de interconexión, "dijo Dennis Hess, director del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales (MRSEC) patrocinado por la Fundación Nacional de Ciencias, establecido en Georgia Tech para estudiar futuros materiales electrónicos, comenzando con el grafeno epitaxial. "Estamos en un punto en el que, en menos de 10 años, no podremos reducir más el tamaño de las funciones debido a la física del funcionamiento del dispositivo. Eso significa que tendremos que cambiar el tipo de dispositivo que fabricamos, o cambiar el material electrónico que utilizamos ".

Es una cuestión de física. En las escalas de tamaño muy pequeño necesarias para crear matrices de dispositivos cada vez más densas, el silicio genera demasiada resistencia al flujo de electrones, creando más calor del que se puede disipar y consumiendo demasiada energía.

El grafeno no tiene tales restricciones, y de hecho, puede proporcionar movilidad de electrones hasta 100 veces mejor que el silicio. De Heer cree que su grupo ha desarrollado la hoja de ruta para el futuro de la electrónica de alto rendimiento, y que está pavimentada con grafeno epitaxial.

"Básicamente, hemos desarrollado un esquema completo para fabricar productos electrónicos con grafeno, ", dijo." Hemos establecido lo que creemos que serán las reglas básicas de cómo funcionará, y tenemos las patentes clave en su lugar ".

Silicio, por supuesto, ha madurado durante muchas generaciones a través de la investigación y la mejora constantes. De Heer y Hess están de acuerdo en que el silicio siempre estará presente, útil para productos de consumo de bajo costo como iPods, tostadoras computadoras personales y similares.

De Heer espera que el grafeno encuentre su nicho haciendo cosas que de otra manera no se podrían hacer.

"No estamos tratando de hacer algo más barato o mejor; vamos a hacer cosas que no se pueden hacer en absoluto con el silicio". ", dijo." Hacer dispositivos electrónicos tan pequeños como una molécula, por ejemplo, no se puede hacer con silicona, pero en principio se podría hacer con grafeno. La pregunta clave es cómo extender la Ley de Moore en un mundo post-CMOS ".

A diferencia de los nanotubos de carbono que estudió en la década de 1990, De Heer no ve grandes problemas por delante para el desarrollo del grafeno epitaxial.

"Que el grafeno va a ser un actor importante en la electrónica del futuro ya no está en duda, ", dijo." No vemos ningún obstáculo real por delante. No hay luces rojas intermitentes u otras señales que parezcan indicar que esto no funcionará. Todos los problemas que vemos se relacionan con la mejora de los problemas técnicos, y sabemos cómo hacerlo ".

Haciendo el mejor grafeno

Desde que comenzó la exploración del grafeno en 2001, de Heer y su equipo de investigación han realizado mejoras continuas en la calidad del material que producen, y esas mejoras les han permitido demostrar una serie de propiedades físicas, como el efecto Hall cuántico, que verifican las propiedades únicas del material.

“Las propiedades que vemos en nuestro grafeno epitaxial son similares a las que hemos calculado para una lámina teórica ideal de grafeno suspendido en el aire, "dijo Claire Berger, un científico investigador en la Escuela de Física de Georgia Tech que también tiene un nombramiento como profesor en el Centre National de la Recherche Scientifique en Francia. "Vemos estas propiedades en el transporte de electrones y vemos estas propiedades en todo tipo de espectroscopía. Todo lo que se supone que ocurre en una sola hoja de grafeno lo estamos viendo en nuestros sistemas".

Clave para el futuro del material, por supuesto, es la capacidad de fabricar dispositivos electrónicos que funcionen de forma coherente. The researchers believe they have almost reached that point.

"All of the properties that epitaxial graphene needs to make it viable for electronic devices have been proven in this material, " said Ed Conrad, a professor in Georgia Tech's School of Physics who is also a MRSEC member. "We have shown that we can make macroscopic amounts of this material, and with the devices that are scalable, we have the groundwork that could really make graphene take off."

Reaching higher and higher device density is also important, along with the ability to control the number of layers of graphene produced. The group has demonstrated that in their multilayer graphene, each layer retains the desired properties.

"Multilayer graphene has different stacking than graphite, the material found in pencils, " Conrad noted. "In graphite, every layer is rotated 60 degrees and that's the only way that nature can do it. When we grow graphene on silicon carbide, the layers are rotated 30 degrees. Cuando eso pasa, the symmetry of the system changes to make the material behave the way we want it to."

Epitaxial Versus Exfoliated

Much of the world's graphene research -- including work leading to the Nobel -- involved the study of exfoliated graphene:layers of the material removed from a block of graphite, originally with tape. While that technique produces high-quality graphene, it's not clear how that could be scaled up for industrial production.

While agreeing that the exfoliated material has produced useful information about graphene properties, de Heer dismisses it as "a science project" unlikely to have industrial electronics application.

"Electronics companies are not interested in graphene flakes, " he said. "They need industrial graphene, a material that can be scaled up for high-volume manufacturing. Industry is now getting more and more interested in what we are doing."

De Heer says Georgia Tech's place in the new graphene world is to focus on electronic applications.

"We are not really trying to compete with these other groups, " he said. "We are really trying to create a practical electronic material. Para hacer eso, we will have to do many things right, including fabricating a scalable material that can be made as large as a wafer. It will have to be uniform and able to be processed using industrial methods."

Resolving Technical Issues

Among the significant technical issues facing graphene devices has been electron scattering that occurs at the boundaries of nanoribbons. If the edges aren't perfectly smooth -- as usually happens when the material is cut with electron beams -- the roughness bounces electrons around, creating resistance and interference.

Para abordar ese problema, de Heer and his team recently developed a new "templated growth" technique for fabricating nanometer-scale graphene devices. The technique involves etching patterns into the silicon carbide surfaces on which epitaxial graphene is grown. The patterns serve as templates directing the growth of graphene structures, allowing the formation of nanoribbons of specific widths without the use of e-beams or other destructive cutting techniques. Graphene nanoribbons produced with these templates have smooth edges that avoid electron-scattering problems.

"Using this approach, we can make very narrow ribbons of interconnected graphene without the rough edges, " said de Heer. "Anything that can be done to make small structures without having to cut them is going to be useful to the development of graphene electronics because if the edges are too rough, electrons passing through the ribbons scatter against the edges and reduce the desirable properties of graphene."

In nanometer-scale graphene ribbons, quantum confinement makes the material behave as a semiconductor suitable for creation of electronic devices. But in ribbons a micron or so wide, the material acts as a conductor. Controlling the depth of the silicon carbide template allows the researchers to create these different structures simultaneously, using the same growth process.

"The same material can be either a conductor or a semiconductor depending on its shape, " noted de Heer. "One of the major advantages of graphene electronics is to make the device leads and the semiconducting ribbons from the same material. That's important to avoid electrical resistance that builds up at junctions between different materials."

After formation of the nanoribbons, the researchers apply a dielectric material and metal gate to construct field-effect transistors. While successful fabrication of high-quality transistors demonstrates graphene's viability as an electronic material, de Heer sees them as only the first step in what could be done with the material.

"When we manage to make devices well on the nanoscale, we can then move on to make much smaller and finer structures that will go beyond conventional transistors to open up the possibility for more sophisticated devices that use electrons more like light than particles, " he said. "If we can factor quantum mechanical features into electronics, that is going to open up a lot of new possibilities."

Collaborations with Other Groups

Before engineers can use epitaxial graphene for the next generation of electronic devices, they will have to understand its unique properties. As part of that process, Georgia Tech researchers are collaborating with scientists at the National Institute of Standards and Technology (NIST). The collaboration has produced new insights into how electrons behave in graphene.

In a recent paper published in the journal Nature Physics , the Georgia Tech-NIST team described for the first time how the orbits of electrons are distributed spatially by magnetic fields applied to layers of epitaxial graphene. They also found that these electron orbits can interact with the substrate on which the graphene is grown, creating energy gaps that affect how electron waves move through the multilayer material.

"The regular pattern of magnetically-induced energy gaps in the graphene surface creates regions where electron transport is not allowed, " said Phillip N. First, a professor in the Georgia Tech School of Physics and MRSEC member. "Electron waves would have to go around these regions, requiring new patterns of electron wave interference. Understanding this interference would be important for some bi-layer graphene devices that have been proposed."

Earlier NIST collaborations led to improved understanding of graphene electron states, and the way in which low temperature and high magnetic fields can affect energy levels. The researchers also demonstrated that atomic-scale moiré patterns, an interference pattern that appears when two or more graphene layers are overlaid, can be used to measure how sheets of graphene are stacked.

In a collaboration with the U.S. Naval Research Laboratory and University of Illinois at Urbana-Champaign, a group of Georgia Tech professors developed a simple and quick one-step process for creating nanowires on graphene oxide.

"Hemos demostrado que al calentar localmente el óxido de grafeno aislante, both the flakes and the epitaxial varieties, con una punta de microscopio de fuerza atómica, we can write nanowires with dimensions down to 12 nanometers, "dijo Elisa Riedo, an associate professor in the Georgia Tech School of Physics and a MRSEC member. "And we can tune their electronic properties to be up to four orders of magnitude more conductive."

A New Industrial Revolution?

Though graphene can be grown and fabricated using processes similar to those of silicon, it is not easily compatible with silicon. That means companies adopting it will also have to build new fabrication facilities -- an expensive investment. Como consecuencia, de Heer believes industry will be cautious about moving into a new graphene world.

"Silicon technology is completely entrenched and well developed, " he admitted. "We can adopt many of the processes of silicon, but we can't easily integrate ourselves into silicon. Por eso, we really need a major paradigm shift. But for the massive electronics industry, that will not happen easily or gently."

He draws an analogy to steamships and passenger trains at the dawn of the aviation age. En algún momento, it became apparent that airliners were going to replace both ocean liners and trains in providing first-class passenger service. Though the cost of air travel was higher, passengers were willing to pay a premium for greater speed.

"We are going to see a coexistence of technologies for a while, and how the hybridization of graphene and silicon electronics is going to happen remains up in the air, " de Heer predicted. "That is going to take decades, though in the next ten years we are probably going to see real commercial devices that involve graphene."