Los transistores individuales fabricados con nanotubos de carbono son más rápidos y eficientes energéticamente que los fabricados con otros materiales. Pasando de un solo transistor a un circuito integrado lleno de transistores, sin embargo, es un gran salto.
"Un solo microprocesador tiene mil millones de transistores, ", dijo Mark Hersam de Northwestern Engineering." Todos los mil millones de ellos funcionan. Y no solo funcionan, pero funcionan de manera confiable durante años o incluso décadas ".
Al intentar dar el salto de un individuo, Transistor basado en nanotubos a circuitos integrados a escala de obleas, muchos equipos de investigación, incluido el de Hersam, han enfrentado desafíos. Para uno, el proceso es increíblemente caro, a menudo requieren salas blancas de miles de millones de dólares para mantener los delicados componentes nanométricos a salvo de los efectos potencialmente dañinos del aire, agua, y polvo. Los investigadores también han luchado por crear un circuito integrado basado en nanotubos de carbono en el que los transistores sean espacialmente uniformes en todo el material. que es necesario para que funcione el sistema en general.
Ahora, Hersam y su equipo de la Northwestern University han encontrado una clave para resolver todos estos problemas. El secreto radica en las capas de encapsulación recientemente desarrolladas que protegen a los nanotubos de carbono de la degradación ambiental.
Con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval y la Fundación Nacional de Ciencias, la investigación aparece en línea en Nanotecnología de la naturaleza el 7 de septiembre. Tobin J. Marks, Vladimir N. Ipatieff, profesor de investigación de Química en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick, fue coautor del artículo. Michael Geier, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Hersam, fue el primer autor.
"Una de las realidades de un nanomaterial, como un nanotubo de carbono, es que esencialmente todos sus átomos en la superficie, "dijo Hersam, el Profesor Walter P. Murphy de Ciencia e Ingeniería de Materiales. "Entonces, cualquier cosa que toque la superficie de estos materiales puede influir en sus propiedades. Si hiciéramos una serie de transistores y los dejamos en el aire, el agua y el oxígeno se pegarían a la superficie de los nanotubos, degradándolos con el tiempo. Pensamos que agregar una capa de encapsulación protectora podría detener este proceso de degradación para lograr una vida útil sustancialmente más larga ".
Hersam compara su solución con una que se usa actualmente para diodos emisores de luz orgánicos (LED), que experimentó problemas similares después de que se dieron cuenta por primera vez. Mucha gente asumió que los LED orgánicos no tendrían futuro porque se degradaban en el aire. Después de que los investigadores desarrollaron una capa de encapsulación para el material, Los LED orgánicos ahora se utilizan en muchas aplicaciones comerciales, incluyendo pantallas para teléfonos inteligentes, radios de coche, televisores, y cámaras digitales. Hecho de polímeros y óxidos inorgánicos, La capa de encapsulación de Hersam se basa en la misma idea pero diseñada para nanotubos de carbono.
Para demostrar una prueba de concepto, Hersam desarrolló circuitos de memoria de acceso aleatorio estático (SRAM) basados en nanotubos. SRAM es un componente clave de todos los microprocesadores, a menudo constituyen hasta el 85 por ciento de los transistores en la unidad de procesamiento central en una computadora común. Para crear los nanotubos de carbono encapsulados, El equipo primero depositó los nanotubos de carbono de una solución desarrollada previamente en el laboratorio de Hersam. Luego recubrieron los tubos con sus capas de encapsulación.
Usando los nanotubos de carbono encapsulados, El equipo de Hersam diseñó y fabricó con éxito matrices de circuitos SRAM en funcionamiento. Las capas de encapsulación no solo protegen el dispositivo sensible del medio ambiente, pero mejoraron la uniformidad espacial entre transistores individuales a través de la oblea. Si bien los circuitos integrados de Hersam demostraron una larga vida útil, los transistores que se depositaron a partir de la misma solución pero que no se recubrieron se degradaron en horas.
"Una vez que creamos los dispositivos, podemos dejarlos en el aire sin más precauciones, "Dijo Hersam." No necesitamos ponerlos en una cámara de vacío o en un ambiente controlado. Otros investigadores han fabricado dispositivos similares, pero inmediatamente tuvieron que ponerlos en una cámara de vacío o en un entorno inerte para mantenerlos estables. Obviamente, eso no va a funcionar en una situación del mundo real ".
Hersam imagina que su solución, procesada, La SRAM estable al aire podría utilizarse en tecnologías emergentes. Los transistores flexibles basados en nanotubos de carbono podrían reemplazar al silicio rígido para permitir dispositivos electrónicos portátiles. El método de fabricación más económico también abre las puertas a las tarjetas inteligentes:tarjetas de crédito integradas con información personal para reducir la probabilidad de fraude.
"Las tarjetas inteligentes solo son realistas si se pueden realizar mediante una fabricación de muy bajo costo, ", dijo." Debido a que nuestros nanotubos de carbono procesados en solución son compatibles con métodos de impresión escalables y económicos, nuestros resultados podrían permitir tarjetas inteligentes y aplicaciones electrónicas impresas relacionadas ".
