Los científicos de IBM han demostrado un nuevo enfoque de la nanotecnología de carbono que abre el camino para la fabricación comercial de productos dramáticamente más pequeños, chips de computadora más rápidos y potentes. Por primera vez, más de diez mil transistores en funcionamiento hechos de tubos de carbono de tamaño nanométrico se han colocado y probado con precisión en un solo chip utilizando procesos semiconductores estándar. Estos dispositivos de carbono están preparados para reemplazar y superar a la tecnología de silicio, lo que permite una mayor miniaturización de los componentes informáticos y abre el camino para la microelectrónica del futuro.
Con la ayuda de una rápida innovación durante cuatro décadas, La tecnología de microprocesador de silicio se ha reducido continuamente en tamaño y ha mejorado en rendimiento, impulsando así la revolución de la tecnología de la información. Transistores de silicio, pequeños interruptores que transportan información en un chip, se han hecho más pequeños año tras año, pero se están acercando a un punto de limitación física. Sus dimensiones cada vez más pequeñas, ahora alcanzando la nanoescala, prohibirá cualquier mejora en el rendimiento debido a la naturaleza del silicio y las leyes de la física. Dentro de unas pocas generaciones más, la escala y la contracción clásicas ya no producirán los considerables beneficios de una menor potencia, procesadores de menor costo y mayor velocidad a los que la industria se ha acostumbrado.
Los nanotubos de carbono representan una nueva clase de materiales semiconductores cuyas propiedades eléctricas son más atractivas que el silicio. particularmente para construir dispositivos de transistores a nanoescala que tienen unas pocas decenas de átomos de ancho. Los electrones en los transistores de carbono pueden moverse más fácilmente que en los dispositivos basados en silicio, lo que permite un transporte de datos más rápido. Los nanotubos también tienen una forma ideal para transistores a escala atómica, una ventaja sobre el silicio. Estas cualidades se encuentran entre las razones para reemplazar el transistor de silicio tradicional con carbono, y junto con las nuevas arquitecturas de diseño de chips, permitirán la innovación informática en una escala en miniatura para el futuro.
El enfoque desarrollado en los laboratorios de IBM allana el camino para la fabricación de circuitos con una gran cantidad de transistores de nanotubos de carbono en posiciones de sustrato predeterminadas. La capacidad de aislar nanotubos semiconductores y colocar una alta densidad de dispositivos de carbono en una oblea es crucial para evaluar su idoneidad para una tecnología; eventualmente, se necesitarán más de mil millones de transistores para la integración futura en chips comerciales. Hasta ahora, Los científicos han podido colocar como máximo unos pocos cientos de dispositivos de nanotubos de carbono a la vez, no lo suficiente para abordar problemas clave para aplicaciones comerciales.
"Nanotubos de carbon, nacido de la química, han sido en gran parte curiosidades de laboratorio en lo que respecta a las aplicaciones microelectrónicas. Estamos intentando dar los primeros pasos hacia una tecnología mediante la fabricación de transistores de nanotubos de carbono dentro de una infraestructura de fabricación de obleas convencional. "dijo Supratik Guha, Director de Ciencias Físicas de IBM Research. "La motivación para trabajar con transistores de nanotubos de carbono es que en dimensiones extremadamente pequeñas a nanoescala, superan a los transistores hechos de cualquier otro material. Sin embargo, hay desafíos que abordar, como la ultra alta pureza de los nanotubos de carbono y la colocación deliberada en la nanoescala. Hemos logrado avances significativos en ambos ".
Estudiado originalmente para la física que surge de sus dimensiones y formas atómicas, Los científicos de todo el mundo están explorando nanotubos de carbono en aplicaciones que abarcan circuitos integrados, almacenamiento y conversión de energía, detección biomédica y secuenciación de ADN.
Este logro fue publicado hoy en la revista revisada por pares. Nanotecnología de la naturaleza .
El camino al carbono
Carbón, un elemento básico fácilmente disponible a partir del cual se hacen cristales tan duros como los diamantes y tan suaves como la "mina" de un lápiz, tiene una amplia gama de aplicaciones de TI.
Los nanotubos de carbono son láminas atómicas de carbono enrolladas en un tubo. El nanotubo de carbono forma el núcleo de un dispositivo de transistor que funcionará de manera similar al transistor de silicio actual, pero tendrá un mejor rendimiento. Podrían usarse para reemplazar los transistores en chips que alimentan nuestros servidores de procesamiento de datos, Computadoras de alto rendimiento y teléfonos inteligentes ultrarrápidos.
A principios de este año, Los investigadores de IBM demostraron que los transistores de nanotubos de carbono pueden funcionar como excelentes interruptores en dimensiones moleculares de menos de diez nanómetros, el equivalente a 10, 000 veces más delgado que un mechón de cabello humano y menos de la mitad del tamaño de la tecnología de silicio líder. El modelado completo de los circuitos electrónicos sugiere que es posible una mejora de cinco a diez veces en el rendimiento en comparación con los circuitos de silicio.
Existen desafíos prácticos para que los nanotubos de carbono se conviertan en una tecnología comercial, en particular, como se mencionó anteriormente, debido a la pureza y ubicación de los dispositivos. Los nanotubos de carbono vienen naturalmente como una mezcla de especies metálicas y semiconductoras y deben colocarse perfectamente en la superficie de la oblea para hacer circuitos electrónicos. Para el funcionamiento del dispositivo, sólo el tipo de tubos semiconductores es útil, lo que requiere esencialmente la eliminación completa de los metálicos para evitar errores en los circuitos. También, para que suceda la integración a gran escala, es fundamental poder controlar la alineación y la ubicación de los dispositivos de nanotubos de carbono en un sustrato.
Para superar estas barreras, Los investigadores de IBM desarrollaron un método novedoso basado en la química de intercambio iónico que permite la colocación precisa y controlada de nanotubos de carbono alineados en un sustrato a alta densidad, dos órdenes de magnitud mayor que los experimentos anteriores. permitiendo la colocación controlada de nanotubos individuales con una densidad de aproximadamente mil millones por centímetro cuadrado.
El proceso comienza con nanotubos de carbono mezclados con un tensioactivo, una especie de jabón que los hace solubles en agua. Un sustrato está compuesto por dos óxidos con zanjas hechas de óxido de hafnio químicamente modificado (HfO 2 ) y el resto de óxido de silicio (SiO 2 ). El sustrato se sumerge en la solución de nanotubos de carbono y los nanotubos se unen mediante un enlace químico al HfO. 2 regiones mientras que el resto de la superficie permanece limpia.
Al combinar la química, processing and engineering expertise, IBM researchers are able to fabricate more than ten thousand transistors on a single chip.
Es más, rapid testing of thousands of devices is possible using high volume characterization tools due to compatibility to standard commercial processes.
As this new placement technique can be readily implemented, involving common chemicals and existing semiconductor fabrication, it will allow the industry to work with carbon nanotubes at a greater scale and deliver further innovation for carbon electronics.
