Investigadores de Georgia Tech fabricaron el primer semiconductor funcional del mundo hecho de grafeno, una única hoja de átomos de carbono unidos por los enlaces más fuertes conocidos.
Los semiconductores, que conducen electricidad en condiciones específicas, son componentes fundamentales de todos los dispositivos electrónicos.
El chip de grafeno llega en un momento en que el silicio, el material del que están hechos casi todos los dispositivos electrónicos modernos, está llegando a su límite ante los avances de una computación cada vez más rápida y dispositivos electrónicos más pequeños.
Walter de Heer, profesor de física en Georgia Tech, dirigió un equipo de investigadores con sede en Atlanta, Georgia, y Tianjin, China, para producir un semiconductor de grafeno que sea compatible con los métodos de procesamiento de microelectrónica convencionales, una necesidad para cualquier alternativa viable a silicio.
En esta última investigación, publicada en Nature, de Heer y su equipo superaron el principal obstáculo con el que se ha enfrentado la investigación del grafeno durante décadas, conocido como «banda prohibida». Esto hace referencia a una propiedad electrónica crucial que permite que los semiconductores se enciendan y apaguen y que, hasta ahora, no se encontraba en el grafeno.
«Ahora tenemos un semiconductor de grafeno extremadamente robusto, con 10 veces la movilidad del silicio y que también tiene propiedades únicas que no están disponibles en el silicio», dijo en un comunicado de Heer, al culminar diez años de investigación para este proyecto.
El reto de fabricar un chip en grafeno
En su forma natural, el grafeno no es ni un semiconductor ni un metal, sino un semimetal. Una banda prohibida, en tanto, es un material que se puede activar y desactivar cuando se le aplica un campo eléctrico, que es como funcionan todos los transistores y la electrónica de silicio. La pregunta principal en la investigación de la electrónica del grafeno era cómo encenderlo y apagarlo para que funcionase como el silicio.
Para fabricar un transistor funcional, un material semiconductor debe ser manipulado en gran medida, lo que puede dañar sus propiedades. Esto implica que el equipo necesitaba medir sus propiedades electrónicas sin dañarla para demostrar que su plataforma podía funcionar como un semiconductor viable.
Para ello, pusieron átomos en el grafeno que «donan» electrones al sistema, una técnica llamada dopaje, que se utiliza para ver si el material era un buen conductor, lo cual funcionó sin dañar el material ni sus propiedades.
Las mediciones del equipo mostraron que su semiconductor de grafeno tiene una movilidad 10 veces mayor que el silicio. En otras palabras, los electrones se mueven con una resistencia muy baja, lo que, en electrónica, se traduce en una computación más rápida. «Es como conducir por un camino de grava versus conducir por una autopista», dijo de Heer, que añadió: «Es más eficiente, no se calienta tanto y permite velocidades más altas para que los electrones puedan moverse más rápido».
El producto del equipo es actualmente el único semiconductor bidimensional que tiene todas las propiedades necesarias para ser utilizado en nanoelectrónica, y sus propiedades eléctricas son muy superiores a las de cualquier otro semiconductor 2D actualmente en desarrollo.
El grafeno epitaxial podría provocar un cambio de paradigma en el campo de la electrónica y permitir tecnologías completamente nuevas que aprovechen sus propiedades únicas. En ese marco, un detalle destacado es que el material permite utilizar las propiedades de onda de la mecánica cuántica de los electrones, lo cual es un requisito para la computación cuántica.
