El grafeno se ha convertido en uno de los cristales bidimensionales más prometedores, pero el futuro de la electrónica puede incluir otros dos nanomateriales, según un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de California, Riverside y la Universidad de Georgia.

En una investigación publicada el lunes (4 de julio) en la revista Nanotecnología de la naturaleza , Los investigadores describieron la integración de tres materiales bidimensionales (2D) muy diferentes para producir una compacto, y dispositivo de oscilador rápido controlado por voltaje (VCO). Un VCO es un oscilador electrónico cuya frecuencia de oscilación está controlada por una entrada de voltaje.

Titulado "Un oscilador de grafeno de sulfuro de tantalio, nitruro de boro integrado:un dispositivo de onda de densidad de carga que funciona a temperatura ambiente, "El artículo describe el desarrollo del primer dispositivo útil que aprovecha el potencial de las ondas de densidad de carga para modular una corriente eléctrica a través de un material 2D. La nueva tecnología podría convertirse en una alternativa de potencia ultrabaja a los dispositivos convencionales basados ​​en silicio, que se utilizan en miles de aplicaciones, desde computadoras hasta relojes y radios. El delgado, La naturaleza flexible del dispositivo lo haría ideal para su uso en tecnologías portátiles.

Grafeno una sola capa de átomos de carbono que exhibe conductividades eléctricas y térmicas excepcionales, se muestra prometedor como sucesor de los transistores basados ​​en silicio. Sin embargo, su aplicación se ha visto limitada por su incapacidad para funcionar como semiconductor, que es fundamental para las operaciones de encendido y apagado realizadas por componentes electrónicos.

Para superar este déficit, los investigadores recurrieron a otro nanomaterial 2D, Sulfuro de tantalio (TaS2). Demostraron que los cambios inducidos por voltaje en la estructura atómica del 'prototipo 1T' de TaS2 le permiten funcionar como un interruptor eléctrico a temperatura ambiente, un requisito para aplicaciones prácticas.

"Hay muchos materiales de ondas de densidad de carga que tienen interesantes propiedades de conmutación eléctrica. Sin embargo, la mayoría de ellos revelan estas propiedades solo a temperaturas muy bajas. El politipo particular de TaS2 que usamos puede tener cambios abruptos en la resistencia por encima de la temperatura ambiente. Eso marcó una diferencia crucial, "dijo Alexander Balandin, Profesor de la cátedra presidencial de UC de ingeniería eléctrica e informática en el Bourns College of Engineering de la UCR, quien dirigió el equipo de investigación.

Para proteger el TaS2 de daños ambientales, los investigadores lo recubrieron con otro material 2D, nitrato de boro hexagonal, para prevenir la oxidación. Al combinar el TaS2 cubierto con nitruro de boro con grafeno, el equipo construyó un VCO de tres capas que podría allanar el camino para la electrónica posterior al silicio. En el diseño propuesto, el grafeno funciona como una resistencia de carga sintonizable integrada, lo que permite un control preciso del voltaje de la corriente y la frecuencia VCO. Los dispositivos UCR prototipo operaban a la frecuencia de MHz utilizados en radios, y los procesos físicos extremadamente rápidos que definen la funcionalidad del dispositivo permiten que la frecuencia de operación aumente hasta THz.

Balandin dijo que el sistema integrado es el primer ejemplo de un dispositivo oscilador funcional controlado por voltaje que comprende materiales 2D que opera a temperatura ambiente.

"Es difícil competir con el silicio, que se ha utilizado y mejorado durante los últimos 50 años. Sin embargo, Creemos que nuestro dispositivo muestra una integración única de tres materiales 2D muy diferentes, que utiliza las propiedades intrínsecas de cada uno de estos materiales. El dispositivo puede potencialmente convertirse en una alternativa de bajo consumo de energía a las tecnologías de silicio convencionales en muchas aplicaciones diferentes, "Dijo Balandin.

La función electrónica del grafeno prevista en el dispositivo 2D propuesto supera el problema asociado con la ausencia de la banda prohibida de energía, que hasta ahora impedía el uso del grafeno como material del canal del transistor. La conductividad térmica extremadamente alta del grafeno es un beneficio adicional en la estructura del dispositivo, facilitando la eliminación del calor. Las propiedades únicas de conducción de calor del grafeno fueron descubiertas experimentalmente y teóricamente explicadas en 2008 por el grupo de Balandin en la UCR. La Sociedad de Investigación de Materiales reconoció este logro innovador al otorgarle a Balandin la Medalla MRS en 2013.

El grupo Balandin también demostró los primeros disipadores de calor de grafeno integrados para transistores de alta potencia y diodos emisores de luz. "En esas aplicaciones, el grafeno se utilizó exclusivamente como material conductor de calor. Su conductividad térmica fue la propiedad principal. En el presente dispositivo, utilizamos la conductividad eléctrica y térmica del grafeno, "Añadió Balandin.