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Los nanointerruptores hechos de grafeno podrían hacer que nuestra electrónica sea aún más pequeña
Hal Gatewood | Unsplash
Lo más probable es que posea un dispositivo microelectromecánico, probablemente docenas de ellos. Estos dispositivos llenan el mundo moderno. Hacen posible los acelerómetros en los teléfonos inteligentes, los micrófonos en las computadoras portátiles y los microespejos en los proyectores digitales, por nombrar solo algunos.
Por lo general, tienen un tamaño de unos pocos micrómetros, diminutos según cualquier estándar. Pero los científicos e ingenieros los quieren aún más pequeños, en la escala nanométrica, si es posible. Con ese tamaño, estas máquinas pueden funcionar como simples interruptores en dispositivos lógicos y de memoria, lo que aumenta la posibilidad de dispositivos de procesamiento de datos más potentes y eficientes.
Estas micromáquinas generalmente están talladas en chips de silicio. Pero a medida que se hacen más pequeños, los interruptores de silicio se vuelven menos eficientes porque pierden corriente cuando están apagados. Una mejor opción es un interruptor de grafeno, que es fácil de tallar a escala nanométrica y relativamente fácil de incorporar en chips de silicio convencionales. Tampoco pierde corriente cuando está apagado.
Pero hay un problema. Cuando el grafeno toca el silicio, tiende a adherirse rápidamente. Imagine un interruptor que consta de una barra de grafeno flexible que forma un circuito cuando la barra toca un electrodo de silicio. Si la barra se pega al electrodo, no se puede volver a apagar.
Este problema se conoce como fricción estática. Y a pesar de la importante inversión financiera en la investigación del grafeno por parte de los gobiernos de todo el mundo, nadie ha encontrado una buena manera de resolverlo.
Ingrese a Kulothungan Jothiramalingam en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón y sus colegas, que han encontrado una solución. Utilizándolo, han creado dispositivos nanoelectromecánicos basados en grafeno que pueden actuar como interruptores e incluso como puertas lógicas.
Su método es sencillo. Recubren un chip de silicio con grafeno nanocristalino, que se adhiere rápidamente a la superficie. Luego cubren esto con una capa de hidrógeno silsesquioxano, que actúa como una resistencia y se puede tallar en varias formas. Encima de esto colocan otra capa de grafeno.
El truco consiste en tallar la capa superior de grafeno en forma de barra que está anclada en ambos extremos por electrodos. Luego, eliminan la capa de hidrógeno silsesquioxano debajo de parte de la barra de grafeno para dejarla suspendida sobre la capa de grafeno.
Doblar esta barra es simple. Una diferencia de potencial entre las capas crea una fuerza que dobla la barra hacia la viruta. Cuando toca esta superficie inferior, forma un circuito, un proceso que puede aprovecharse para la lógica y el almacenamiento de datos.
Ese es el interruptor. Y debido a que las dos superficies que entran en contacto son ambas de grafeno, no hay fricción estática. Al desconectar la diferencia de potencial, se libera la barra, que vuelve a su posición original.
Jothiramalingam y compañía utilizaron este enfoque para construir una variedad de nanointerruptores de prueba de principio, incluidos interruptores individuales y una matriz. Dicen que los dispositivos funcionan bien con voltajes bajos de solo 1,5 voltios y que, cuando están apagados, hay muy poca fuga de corriente porque las barras de grafeno están bien aisladas de otras capas conductoras.
Sin embargo, hay algunos desafíos. Por ejemplo, la forma y el tamaño del haz de grafeno y su distancia desde la capa inferior deben optimizarse para lograr una conmutación confiable. Pero esto debería ser un problema de ingeniería sencillo.
Una vez que se resuelve eso, se hacen posibles dispositivos más complejos. El equipo ha diseñado una gama de interruptores más complejos que incluyen una puerta lógica AND y un interruptor de tres terminales en el que colocan tres capas de grafeno una encima de la otra, separadas por una capa aislante de silsesquioxano de hidrógeno.
Ese es un trabajo interesante con el potencial de hacer dispositivos nanoelectromecánicos aún más pequeños, basado en la promesa del maravilloso material que es el grafeno.
Ref: arxiv.org/abs/1901.07754 : Apilamiento de grafeno nanocristalino para aplicaciones de actuadores nanoelectromecánicos (NEM)