Los investigadores encuentran una nueva técnica única para hacer transistores de grafeno estables y de baja potencia.

A medida que los dispositivos electrónicos se encogen, podemos estar llegando al límite de cuán pequeños pueden hacerse. Samsung recientemente afirmó haber hecho circuitos electrónicos con transistores de longitud de 7 nanómetros (1 nanómetro es una mil millonésima parte de un metro).

¿Se podría llegar a menor tamaño?

El grafeno, el carbono en forma de una sola lámina de átomos dispuestos en una red hexagonal, puede hacer esto posible, dicen los científicos. En un estudio reciente , un equipo del Instituto Indio de Tecnología de Bombay (IIT Bombay), en colaboración con el Centro de Investigación Atómica de Bhabha (BARC), Mumbai, ha demostrado una nueva forma única de hacer transistores y puertas lógicas de grafeno, empleando inorgánico molecular dopantes.

Los semiconductores como el silicio se usan para hacer dispositivos electrónicos, ya que la conductividad eléctrica de los semiconductores se puede controlar agregando dopantes. Los portadores de carga dominantes en los semiconductores dopados podrían ser positivos o negativos, dependiendo de los dopantes, haciendo que el material sea de tipo p o de tipo n. Estas dos formas son los bloques de construcción fundamentales para todos los dispositivos electrónicos y digitales adicionales, como diodos y transistores. A diferencia del silicio, es extremadamente difícil controlar el portador de carga dominante y la conductividad en el grafeno. Si bien el grafeno de tipo p se puede hacer fácilmente, su contraparte de tipo n ha sido extremadamente difícil de realizar y operar en condiciones ambientales.

El estudio actual es uno de los primeros que logra el grafeno de tipo n que funciona en condiciones ambientales durante más de 10 meses sin ninguna degradación, y también es la primera vez que se usa un dopante inorgánico para hacer grafeno de tipo n. Los investigadores de IIT Bombay utilizaron una técnica directa, de un solo paso y precisa que no requiere altas temperaturas ni vacío para operar. Además, los transistores de grafeno de tipo n resultantes han demostrado un funcionamiento estable durante más de 10 meses, a pesar de estar expuestos a altas temperaturas (250 ° C) y niveles de humedad (humedad relativa del 95%). El grafeno de tipo n informó una densidad de corriente 1000 veces mayor que la de los dispositivos anteriores.

Convencionalmente, el dopaje de silicio con dopantes inorgánicos necesita, además de un entorno de vacío limpio y aparatos de precisión, alta temperatura, un factor perjudicial para el grafeno. Anteriormente, los científicos probaron dopantes orgánicos, que podrían aplicarse fácilmente como un abrigo o una película, para hacer grafeno tipo n. Sin embargo, los dopantes orgánicos son inestables y el grafeno pierde rápidamente el n-doping. El oxígeno y el agua tienen una alta afinidad con el grafeno y son dopantes de tipo p naturales; por lo tanto, el grafeno de tipo n hecho con dopantes orgánicos se convertiría en tipo p después de unos días, ya que las moléculas de oxígeno y agua del aire reemplazarán a los dopantes inestables. Es desde esta perspectiva que el equipo decidió experimentar con moléculas de lantánido estables al aire para realizar grafeno de tipo n.

Los lantánidos son una clase de elementos inorgánicos que se utilizan ampliamente como catalizadores en la industria química. Tales materiales han sido investigados para aplicaciones relacionadas con el almacenamiento de datos. «Estábamos interesados ​​en estudiar la sinergia entre las moléculas basadas en lantánidos con nanomateriales bidimensionales», explica el profesor Maheswaran de IIT Bombay, quien sintetizó el complejo de lantánido utilizado como dopante. Los propios investigadores elaboraron los compuestos necesarios en su laboratorio, en lugar de utilizar productos químicos disponibles comercialmente. Así pudieron experimentar con las diversas composiciones y crear un compuesto que tenía las propiedades deseadas.

Las agujas de microinyección de precisión son ampliamente utilizadas en aplicaciones biomédicas. El profesor C. Subramaniam y su equipo administraron el dopante en áreas específicas de grafeno utilizando agujas de microinyección de precisión para crear los transistores de grafeno tipo n. Usando estas agujas, los investigadores podrían dispensar el dopante en un área de 0.05 milímetros cuadrados en una superficie de grafeno de 2 milímetros cuadrados similar a pintar una cabeza de alfiler en una cancha de tenis.

“La ventaja de usar una técnica establecida es que se puede usar fácilmente sin poner un esfuerzo adicional significativo y se puede escalar fácilmente para la producción comercial más adelante; de hecho, los arreglos de microagujas ya están disponibles comercialmente”, comenta el profesor Subramaniam.

El equipo de investigación realizó varios experimentos para comprender el mecanismo de unión entre los complejos de lantánidos y el grafeno. Los complejos de lantánidos utilizados como dopantes se sintetizan combinando lantánidos con ligandos, estructuras cíclicas que consisten en donantes de nitrógeno y se mantienen unidos por átomos de carbono e hidrógeno. El ion lantánido se asienta firmemente en la cavidad cíclica, lo que hace que el complejo sea muy estable. Cuando está en contacto con el grafeno, el complejo de lantánidos deforma la estructura del grafeno, lo que hace posible una fuerte unión, lo que combinado con la estabilidad inherente del complejo de lantánido es la razón de la estabilidad del grafeno de tipo n. El análisis teórico, llevado a cabo utilizando las instalaciones de cómputo en IITB y BARC, ayudó a los investigadores a comprender el mecanismo detallado de unión y a crear la molécula correcta.

Inspirados por el éxito y la estabilidad de los dispositivos, los investigadores crearon un inversor, el elemento lógico básico de un circuito electrónico digital, que utiliza el transistor de grafeno. Observaron que el inversor podría funcionar a una tensión de 2V, lo que lo convierte en un buen candidato para la electrónica de bajo voltaje y baja potencia. Probaron exhaustivamente estos dispositivos durante 10 meses en condiciones ambientales, sin ningún embalaje protector. No observaron degradación en las propiedades.

“Esta es una muestra única de un esfuerzo interdisciplinario con ingenieros eléctricos y químicos que trabajan juntos para abordar un problema contemporáneo que involucra transistores de grafeno. Este trabajo allana el camino para la realización de bloques de construcción de circuitos básicos con el uso de una nueva metodología de dopaje para transistores de grafeno», resume el Prof. V. Ramgopal Rao, Director del Instituto Indio de Tecnología de Delhi.

“Podemos visualizar varias aplicaciones de transistores de grafeno en electrónica digital, dispositivos de radiofrecuencia y dispositivos de espintrónica . La prueba de concepto que hemos establecido podría desarrollarse aún más en un prototipo y ponerse en producción comercial con la colaboración de la industria ”, dice el profesor Subramaniam. “Usamos compuestos de lantano y cerio para el estudio actual. También hemos sintetizado una familia de otros complejos macrocíclicos de lantánidos (~ 10 complejos diferentes) que son estructuralmente similares a los complejos de lantano y cerio y planeamos probar cada uno de estos como un dopante para hacer grafeno de tipo n«, concluye el profesor Maheswaran.

Fuente: Complejos de lantánidos como dopantes moleculares para la realización de inversores lógicos de tipo grafeno de tipo estable con transconductancia simétrica.

Via: https://researchmatters.in/news/enabling-robust-high-density-electronics-graphene