Los circuitos integrados tradicionales basados ​​en silicio se encuentran en muchas aplicaciones, desde grandes servidores de datos hasta automóviles y teléfonos celulares. Su amplia integración se debe en parte a la capacidad de la industria de los semiconductores para continuar brindando un rendimiento confiable y escalable durante décadas.

Sin embargo, mientras que los circuitos basados ​​en silicio continúan reduciendo su tamaño en la búsqueda incesante de la Ley de Moore, la predicción de que el número de transistores que pueden caber en un circuito integrado se duplica cada dos años, el consumo de energía aumenta rápidamente. Además, La electrónica de silicio convencional no funciona bien en entornos extremos como altas temperaturas o radiación.

En un esfuerzo por mantener el avance de estos dispositivos al tiempo que se reduce el consumo de energía, diversas comunidades de investigación buscan tecnologías híbridas o alternativas. La tecnología de interruptores nanoelectromecánicos (NEM) es una opción que se muestra muy prometedora.

"Los interruptores NEM consisten en una nanoestructura (como un nanotubo de carbono o un nanoalambre) que se desvía mecánicamente bajo fuerzas electrostáticas para hacer o romper el contacto con un electrodo, "dijo Horacio Espinosa, James N. y Nancy J. Farley Profesores de Fabricación y Emprendimiento en la Escuela de Ingeniería McCormick de la Universidad Northwestern.

Conmutadores NEM, que puede diseñarse para funcionar como un transistor de silicio, podría utilizarse en dispositivos de silicio NEM independientes o híbridos. Ofrecen un consumo de energía ultrabajo y una gran tolerancia a las altas temperaturas y la exposición a la radiación.

Dado su potencial, En la última década, se ha prestado mucha atención al desarrollo de dispositivos NEM tanto híbridos como independientes. Esta década de avances es revisada por el grupo de Espinosa en el número actual de la revista Nanotecnología de la naturaleza. Su revisión proporciona una discusión completa del potencial de estas tecnologías, así como los principales desafíos asociados con su adopción.

Por ejemplo, Un desafío de larga data ha sido crear matrices de millones de nanoestructuras, como los nanotubos de carbono, que se utilizan para fabricar estos dispositivos NEM. (Para perspectiva, La electrónica de silicio moderna puede tener miles de millones de transistores en un solo chip). La revisión de los investigadores describe los métodos demostrados hasta la fecha para crear estas matrices. y cómo pueden proporcionar un camino para realizar dispositivos híbridos NEM-CMOS a gran escala.

Similar, mientras que los dispositivos NEM individuales muestran un rendimiento extremadamente alto, hasta ahora ha resultado difícil hacer que funcionen de forma fiable durante millones de ciclos, que es necesario si se van a utilizar en la electrónica de consumo. La revisión detalla los diversos modos de falla y describe métodos prometedores para superarlos.

Un ejemplo de los avances que facilitan la robustez mejorada de las tecnologías de conmutadores NEM se informa en la edición actual de Advanced Materials. Aquí, Espinosa y su grupo muestran cómo la selección de materiales novedosos puede mejorar en gran medida la robustez de los dispositivos NEM-CMOS híbridos y NEM independientes.

"Los dispositivos NEM con electrodos metálicos de uso común a menudo fallan por uno de una variedad de modos de falla después de solo unos pocos ciclos de actuación, "dijo Owen Loh, estudiante de doctorado en Northwestern University y coautor del artículo, actualmente en Intel.

Simplemente reemplazando los electrodos metálicos con electrodos hechos de películas de carbono conductoras similares al diamante, el grupo pudo mejorar drásticamente la cantidad de ciclos que soportan estos dispositivos. Los interruptores que originalmente fallaron después de menos de 10 ciclos ahora operan durante 1 millón de ciclos sin fallas. Este avance fácil pero efectivo puede proporcionar un paso clave hacia la realización de los dispositivos NEM cuyo potencial se describe en la revisión reciente.

El trabajo reportado en Advanced Materials fue una colaboración conjunta entre Northwestern University, el Centro de Nanotecnologías Integradas de Sandia National Laboratories, y el Centro de Materiales a Nanoescala de los Laboratorios Nacionales de Argonne. La financiación fue proporcionada por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación del Ejército, El Departamento de Energía de EE. UU. y la Oficina de Investigaciones Navales.

"Por último, La realización de dispositivos híbridos NEM-CMOS de próxima generación permitirá el escalado continuo de los componentes electrónicos que alimentan numerosos sistemas que encontramos a diario. "Espinosa dijo." Al mismo tiempo, requerirá un impulso continuo de la ingeniería, Ciencias Basicas, y comunidades de ciencia de los materiales ".