Los componentes electrónicos suelen tener solo unos pocos nanómetros de tamaño. Según la Ley de Moore, un transistor reduce a la mitad su tamaño cada dos años, por ejemplo, que es la única posibilidad de colocar dos mil millones de transistores en un nanoformato en un chip de teléfono inteligente. Los pequeños dispositivos aseguran que el teléfono inteligente pueda mantenerse al día con las demandas en constante cambio:ser un teléfono y una cámara, así como una cámara de video de calidad, buscador, monitor de salud personal y animador. Y al hacerlo, los componentes deben funcionar con eficiencia energética y ser producibles a bajo costo.

Los componentes electrónicos más pequeños se vuelven, sin embargo, más difíciles son de fabricar. A modo de comparación:un glóbulo rojo es 7, 000 nanómetros de diámetro, un cabello humano 80, 000. En consecuencia, producir un transistor de 20 nanómetros de tamaño o más pequeño a partir de semiconductores como el elemento silicio no es solo un desafío técnico. Efectos físicos, los llamados patrones de mecánica cuántica, alterar las propiedades de los materiales a escala nanométrica, lo que complica la vida de los diseñadores e ingenieros en el desarrollo y construcción de nanodispositivos. El profesor de ETH-Zurich Mathieu Luisier del Laboratorio de Sistemas Integrados ahora ha venido al rescate.

Predicciones informáticas

Luisier ha pasado más de diez años perfeccionando un programa de software que simula los transistores del futuro, que tienen sólo unos pocos nanómetros de tamaño. Cuenta con el apoyo de la supercomputadora CSCS "Piz Daint", lo que ayuda a predecir lo que sucede cuando la composición, la forma y el tamaño de los materiales cambian en el nanomundo. En lo que respecta a Luisier, "Piz Daint" es actualmente la mejor y más eficiente máquina de simulación en la búsqueda de nuevos combinaciones de materiales ideales. El trabajo del profesor de ETH-Zurich ha suscitado gran interés en la industria, ya que las simulaciones ahorran tiempo de experimentación y costos en el desarrollo de nuevos, componentes electrónicos eficientes.

Un problema cuando se colocan miles de millones de transistores convencionales en un chip es que generan una gran cantidad de calor y se sobrecalientan fácilmente. Esto se debe a que los electrones liberan energía al pasar por el transistor. Luisier y su equipo utilizan su software OMEN, un llamado simulador cuántico, para simular el transporte de electrones a nivel atómico con el fin de estudiar exactamente lo que sucede. El transistor simulado consta de un nanoalambre hecho de cristales de silicio. "Cuando los electrones fluyen a través del cable, inicialmente poseen una constante, gran cantidad de energía, que disminuye gradualmente y es absorbido por la red cristalina del silicio en forma de los llamados fonones, "explica Luisier. La interacción entre los electrones y fonones calienta el cristal y la energía total permanece intacta - evidencia para los investigadores de que su modelo reproduce el proceso correctamente. El objetivo ahora es construir el transistor basado en los resultados obtenidos a través de las simulaciones en de tal manera que los electrones pierdan la menor cantidad de energía posible a lo largo del camino.

Jugando con cristales

Por un lado, los investigadores pueden "jugar" con el orden de los diferentes niveles de cristal en el cristal y alterar la estructura del cristal o reemplazar el silicio con otro material semiconductor en sus simulaciones. Por otra parte, pueden comprobar las funcionalidades y diferentes propiedades de los cristales simulados. Por ejemplo, los investigadores simularon un nanoalambre, donde el canal está revestido de un óxido y un contacto metálico (puerta). Los fonones emitidos por los electrones son efectivamente "capturados" en el canal y solo pueden salir de la estructura en ciertos puntos:el principio y el final del nanoalambre. "Reemplazar el caparazón alrededor del cable con una estructura que se asemeja a la letra omega produce un área más grande para que los fonones escapen, "dice Luisier. Si el área también está en contacto directo con un segmento de enfriamiento, el transistor se calienta en menor medida. Los semiconductores también generarían menos calor si se construyeran con materiales como el arseniuro de indio, galio o el germanio porque estos materiales permiten que los electrones se muevan más rápido. Sin embargo, son mucho más caras que el silicio.

Durante las simulaciones, los investigadores producen las estructuras diseñadas átomo por átomo. Como en el método convencional llamado "ab initio", que se utiliza intensamente para analizar las propiedades de los materiales, la Ecuación de Schrödinger también se resuelve en las simulaciones realizadas por el equipo de Luisier. Esto les permite estudiar cómo interactúan los electrones y fonones.

Sin embargo, Hay dos diferencias principales:mientras que el método ab initio resuelve el movimiento de onda de los electrones en un sistema cerrado o periódicamente repetitivo, El grupo de Luisier complementa el método con condiciones de frontera abierta, lo que permite simular el transporte. Los científicos pueden entonces observar tanto los flujos de electrones como las corrientes térmicas, y describir la interconexión con el entorno, la interacción del flujo de electrones con las corrientes térmicas. Otra diferencia es que los cálculos que utilizan OMEN se realizan actualmente sobre la base de modelos empíricos, ya que todavía son demasiado complejos y más intensivos en computación "ab initio".

Computación de alto rendimiento

Sin embargo, Se están desarrollando nuevos algoritmos en un proyecto de colaboración PASC con científicos de la Università della Svizzera italiana y EPF Lausanne para hacer los cálculos más eficientes. "A mediano plazo, queremos reemplazar todos los modelos empíricos con modelos ab initio para poder calcular estructuras hechas de diferentes materiales de manera más fácil y precisa, "dice Luisier." Es por eso que necesitamos algoritmos optimizados y máquinas como Piz Daint ".

Sin embargo, Luisier destaca que, según su leal saber y entender, El enfoque empírico de su equipo es más avanzado que nunca en el desarrollo de nanocomponentes electrónicos. Otro de los focos de investigación de su grupo es la simulación de baterías de iones de litio. "Si entendemos el desarrollo de calor en transistores o baterías con más precisión, podremos proponer mejores diseños, "dice Luisier." OMEN es un simulador de componentes de la nueva generación, donde los ingenieros utilizan conceptos que nunca antes se han utilizado en la ciencia de los materiales, química o física ".