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Circuitos integrados complejos hechos de nanotubos de carbono
Los primeros circuitos tridimensionales de nanotubos de carbono, fabricados por investigadores de la Universidad de Stanford, podrían ser un paso importante en la fabricación de computadoras con nanotubos que podrían ser más rápidas y consumir menos energía que los chips de silicio actuales. Una computadora de este tipo aún tiene al menos 10 años de retraso, pero el trabajo de Stanford muestra que es posible hacer circuitos apilados utilizando nanotubos de carbono. Los circuitos apilados acumulan más potencia de procesamiento en un área determinada y también hacen un mejor trabajo disipando el calor residual.
Circuito de carbono: Este circuito de nanotubos de carbono, que es un elemento de memoria, es uno de los muchos diseños posibles que se pueden hacer con nuevos métodos.
Un estudio reciente de IBM mostró que para un consumo total de energía dado, un circuito hecho de nanotubos de carbono es cinco veces más rápido que un circuito de silicio. Podemos hacer que los transistores de silicio sean cada vez más pequeños, pero en dimensiones extremadamente pequeñas ya no muestran el rendimiento deseado, dice Zhihong Chen, gerente de tecnología de carbono en el Centro de investigación IBM Watson . Buscamos materiales alternativos que se puedan escalar de manera más agresiva pero que aún mantengan el rendimiento del dispositivo.
Los investigadores han tenido un gran éxito en la fabricación de transistores de un solo nanotubo en el laboratorio, pero escalarlos para hacer circuitos complejos ha sido difícil porque es imposible controlar la calidad de cada nanotubo. Los diseños del circuito de Stanford, que se presentaron la semana pasada en el Reunión internacional de dispositivos electrónicos en Baltimore, permiten crear circuitos de nanotubos más complejos a pesar de las limitaciones del material.
Cuando tratamos con una gran cantidad de componentes a nanoescala, no podemos exigir que todo sea perfecto, dice H.-S. Philip Wong , profesor de ingeniería eléctrica en Stanford. Cuando los investigadores de Stanford cultivan matrices de nanotubos para hacer circuitos, obtienen una mezcla de nanotubos semiconductores y nanotubos metálicos que provocarán cortocircuitos eléctricos si no se eliminan. Algunos de los nanotubos crecen en líneas rectas, pero algunos son ondulados, y estos también deben solucionarse. Mientras los químicos trabajan en métodos para cultivar nanotubos puros y rectos, la pregunta de los investigadores de Stanford, dice Wong, es: ¿Cómo mitigamos eso y nos aseguramos de que el sistema aún funcione?
La respuesta es tener en cuenta las limitaciones de materiales en los diseños de circuitos. Tenemos que encontrar una manera de construir con los nanotubos metálicos para que no causen problemas, dice Subhasish Mitra , profesor de ingeniería eléctrica e informática en Stanford. El grupo de Stanford primero hace lo que Mitra llama un diseño tonto. Con un sello, los investigadores transfieren una matriz alineada y plana de nanotubos de carbono cultivados en un sustrato de cuarzo a una oblea de silicio. Luego, cubren los nanotubos con electrodos metálicos. En la superficie de la oblea, entre el silicio y los nanotubos, hay una capa aislante que actúa como una puerta trasera, lo que permite a los investigadores apagar los nanotubos semiconductores antes de usar los electrodos metálicos para quemar los nanotubos metálicos con una ráfaga de electricidad. . Se agrega una puerta superior que tiene un patrón de tal manera que no se conecta con ningún tubo desalineado. Luego, los circuitos se graban para eliminar los electrodos de metal que no son necesarios para el diseño final del circuito.
Para hacer un circuito tridimensional, los investigadores simplemente repiten los procedimientos de estampado y crecimiento de electrodos para apilar tantas capas como sean necesarias antes del proceso de grabado final. El proceso de estampado de nanotubos, que el grupo de Stanford demostró por primera vez el año pasado, es clave para crear capas apiladas porque se puede realizar a bajas temperaturas que no derriten los contactos eléctricos metálicos en las capas subyacentes.
Si bien los científicos de materiales todavía están trabajando en cómo cultivar lotes de nanotubos de carbono en los que todos son semiconductores, el grupo de Stanford está trabajando para solucionar el problema. En lugar de quemar un tubo a la vez, lo hacen a nivel de circuito, luego diseñan los circuitos de manera inteligente para sortear los tubos quemados, dice Chen de IBM.
Han demostrado circuitos pequeños y simples, como lo que se hizo a mediados de la década de 1960 con el silicio, dice Shekhar Borkar , miembro de Intel y director del laboratorio de tecnología de microprocesadores de la empresa. El grupo de Stanford ha creado, por ejemplo, una calculadora simple que puede sumar y almacenar números.
El grupo de Stanford trabaja actualmente para hacer circuitos integrados cada vez más complejos. En lo que respecta a la complejidad, fundamentalmente no existe una barrera para los nanotubos de carbono, dice Mitra. Sin embargo, siguen existiendo barreras materiales. Las matrices de nanotubos de Stanford son algunas de las más densas jamás fabricadas, con cinco a 10 nanotubos por micrómetro, pero esto no es suficiente. Necesitamos 100 nanotubos por micrómetro para obtener un rendimiento realmente bueno, dice Wong.