Los transistores basados ​​en carbono en lugar de silicio podrían aumentar la velocidad de las computadoras y reducir su consumo de energía más de mil veces (piense en un teléfono móvil que mantiene su carga durante meses), pero el conjunto de herramientas necesarias para construir circuitos de carbono que funcionen ha permanecido incompleto hasta ahora.

Un equipo de químicos y físicos de la Universidad de California, Berkeley, finalmente ha creado la última herramienta en la caja de herramientas, un alambre metálico hecho completamente de carbono, preparando el escenario para un aumento en la investigación para construir transistores basados ​​en carbono y, por último, ordenadores.

"Manteniéndose dentro del mismo material, dentro del ámbito de los materiales a base de carbono, es lo que une a esta tecnología ahora, "dijo Felix Fischer, Profesor de química de UC Berkeley, teniendo en cuenta que la capacidad de fabricar todos los elementos del circuito con el mismo material facilita la fabricación. "Esa ha sido una de las cosas clave que ha estado ausente en el panorama general de una arquitectura de circuito integrado totalmente basada en carbono".

Los cables metálicos, como los canales metálicos utilizados para conectar transistores en un chip de computadora, transportan electricidad de un dispositivo a otro e interconectan los elementos semiconductores dentro de los transistores. los componentes básicos de las computadoras.

El grupo de UC Berkeley ha estado trabajando durante varios años en cómo fabricar semiconductores y aislantes a partir de nanocintas de grafeno. que son estrechas, tiras unidimensionales de grafeno de un átomo de espesor, una estructura compuesta enteramente por átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal interconectado que se asemeja a una malla de gallinero.

El nuevo metal a base de carbono también es una nanocinta de grafeno, pero diseñado con miras a la conducción de electrones entre nanocintas semiconductoras en transistores totalmente de carbono. Las nanocintas metálicas se construyeron ensamblándolas a partir de bloques de construcción idénticos más pequeños:un enfoque de abajo hacia arriba, dijo el colega de Fischer, Michael Crommie, profesor de física de UC Berkeley. Cada bloque de construcción aporta un electrón que puede fluir libremente a lo largo de la nanocinta.

Mientras que otros materiales a base de carbono, como láminas 2-D extendidas de grafeno y nanotubos de carbono, pueden ser metálicos, ellos tienen sus problemas. Remodelando una hoja 2-D de grafeno en tiras de escala nanométrica, por ejemplo, los convierte espontáneamente en semiconductores, o incluso aislantes. Nanotubos de carbon, que son excelentes conductores, no se puede preparar con la misma precisión y reproducibilidad en grandes cantidades que las nanocintas.

"Las nanocintas nos permiten acceder químicamente a una amplia gama de estructuras mediante la fabricación de abajo hacia arriba, algo que aún no es posible con nanotubos, ", Dijo Crommie." Esto nos ha permitido básicamente unir electrones para crear una nanocinta metálica, algo no hecho antes. Este es uno de los grandes desafíos en el área de la tecnología de nanocintas de grafeno y por qué estamos tan entusiasmados con ella ".

Nanocintas de grafeno metálico, que presentan una amplia Característica de la banda electrónica parcialmente llena de los metales:debe ser comparable en conductancia al grafeno 2-D en sí.

"Creemos que los cables metálicos son realmente un gran avance; es la primera vez que podemos crear intencionalmente un conductor metálico ultra estrecho, un buen, conductor intrínseco:de materiales a base de carbono, sin necesidad de dopaje externo, "Añadió Fischer.

Crommie, Fischer y sus colegas de UC Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) publicarán sus hallazgos en la edición del 25 de septiembre de la revista. Ciencias .

Ajustar la topología

Los circuitos integrados basados ​​en silicio han alimentado las computadoras durante décadas con una velocidad y un rendimiento cada vez mayores, según la ley de Moore, pero están alcanzando su límite de velocidad, es decir, qué tan rápido pueden cambiar entre ceros y unos. También es cada vez más difícil reducir el consumo de energía; las computadoras ya utilizan una fracción sustancial de la producción mundial de energía. Las computadoras basadas en carbono podrían cambiar potencialmente muchas veces más rápido que las computadoras de silicio y usar solo fracciones de la energía, Dijo Fischer.

Grafeno que es carbono puro, es uno de los principales competidores de estos Computadoras basadas en carbono. Las tiras estrechas de grafeno son principalmente semiconductores, sin embargo, y el desafío ha sido hacer que también funcionen como aislantes y metales, extremos opuestos, totalmente no conductor y totalmente conductor, respectivamente, para construir transistores y procesadores completamente de carbono.

Muchos años atrás, Fischer y Crommie se asociaron con el científico de materiales teóricos Steven Louie, un profesor de física de UC Berkeley, para descubrir nuevas formas de conectar pequeñas longitudes de nanocintas para crear de forma fiable la gama completa de propiedades conductoras.

Hace dos años, el equipo demostró que al conectar segmentos cortos de nanocintas de la manera correcta, los electrones de cada segmento podrían organizarse para crear un nuevo estado topológico, una función de onda cuántica especial, que conduzca a propiedades semiconductoras sintonizables.

En el nuevo trabajo utilizan una técnica similar para unir segmentos cortos de nanocintas para crear un alambre de metal conductor de decenas de nanómetros de largo y apenas un nanómetro de ancho.

Las nanocintas se crearon químicamente y se tomaron imágenes en superficies muy planas utilizando un microscopio de efecto túnel. Se utilizó calor simple para inducir a las moléculas a reaccionar químicamente y unirse de la manera correcta. Fischer compara el ensamblaje de bloques de construcción encadenados con un conjunto de Legos, pero Legos diseñados para encajar a escala atómica.

"Todos están diseñados con precisión para que solo haya una forma en que puedan encajar. Es como si tomaras una bolsa de Legos, y lo sacudes, y sale un auto completamente ensamblado, ", dijo." Esa es la magia de controlar el autoensamblaje con la química ".

Una vez montado, El estado electrónico de la nueva nanocinta era un metal, tal como lo predijo Louie, y cada segmento contribuía con un solo electrón conductor.

El avance final se puede atribuir a un cambio mínimo en la estructura de nanocintas.

"Usando química, creamos un pequeño cambio, un cambio en un solo enlace químico por cada 100 átomos, pero que aumentó la metalicidad de la nanocinta en un factor de 20, y eso es importante, desde un punto de vista práctico, para hacer de este un buen metal, "Dijo Crommie.

Los dos investigadores están trabajando con ingenieros eléctricos en UC Berkeley para ensamblar su caja de herramientas de semiconductores, nanocintas de grafeno metálicas y aislantes en transistores de trabajo.

"Creo que esta tecnología revolucionará la forma en que construimos circuitos integrados en el futuro, "Dijo Fischer." Debería darnos un gran paso adelante del mejor rendimiento que se puede esperar del silicio en este momento. Ahora tenemos un camino para acceder a velocidades de conmutación más rápidas con un consumo de energía mucho menor. Eso es lo que está impulsando el impulso hacia una industria de semiconductores electrónicos basada en carbono en el futuro ".