NeoFronteras

Logran fabricar una lámina de un centímetro cuadrado de área de grafeno con calidad electrónica que permite creer en una futura nanoelectrónica de carbono que será mejor que la microelectrónica actual basada en el silicio.

El substrato obtenido.

El hambre de computación del mundo no tiene límites. Ahora mismo disfrutamos de unos microprocesadores y de unos chips de memoria que hace 20 años eran sólo un sueño. Esto parece no ser suficiente y las mejoras aumentan sin parar mientras que se siga cumpliendo la ley de Moore. Pero la tecnología de silicio está alcanzando sus límites y habrá que sustituirla por otra en algún momento del futuro. La computación cuántica es de momento puramente teórica y tampoco satisfacería nuestras necesidades cotidianas. Por eso, a medio plazo, se ha pensado en el uso de la tecnología del grafeno.
El grafeno son las láminas de un átomo de grosor en forma de red hexagonal de átomos de carbono que constituyen el grafito. En 2004 se descubrió que era posible tener monocapas estables de grafeno y desde entonces se han estudiado sus propiedades físicas.
Desde hace unos años se han investigado sobre todo su propiedades electrónicas. Al igual que en el caso de los nanotubos de carbono o los fullerenos. Se ha descubierto que tienen propiedades muy interesantes que permiten construir componentes electrónicos con un rendimiento superior al silicio. Pero tener componentes no es lo mismo que tener un circuito integrado. Para crear un circuito integrado (o mejor aún un conjunto de circuitos integrados) se necesita un substrato de gran tamaño sobre el que «grabar» los componentes, circuitos y chips. Y esto no se había conseguido hasta el momento. Ahora, unos investigadores de University of Texas en Austin han conseguido crecer un substrato de grafeno de 1 cm cuadrado sobre una lámina de cobre.
El grafeno promete revolucionar la microelectrónica (¿nanoelectrónica?). Podría utilizarse tanto para circuitos lógicos como para memorias y en sistemas tanto analógicos como digitales. Daría lugar a microprocesadores nanotecnológicos más rápidos que consumieran menor energía, así como a otro tipo de dispositivos electrónicos, como sistemas de radio de alta frecuencia. Además podría usarse como láminas transparentes conductoras en pantallas planas de alto rendimiento, incluso enrollables, para la reproducción de vídeo e imágenes. Incluso se podría utilizar en supercondensadores que almacenen electricidad en autos eléctricos y en sensores físicos y químico-biológicos, como sensores nanomecánicos que midan cambios de presión.
Según Rod Ruoff, uno de los autores del trabajo, se necesita crear substratos de grafeno sobre obleas de silicio con métodos compatibles con la tecnología actual, porque así sería posible crear circuitos nanotecnológicos de la manera eficaz que la industria demanda.
Hasta ahora se han usado métodos más bien rudimentarios para obtener grafeno. Una de las técnicas consiste en la exfoliación mecánica de grafito a base de pegar cinta adhesiva y retirarla. De esto modo la cinta se lleva pegada unos pocos trozos de grafeno. Obviamente este método produce un material de tamaño minúsculo que sólo sirve para comprobar la física del grafeno, pero absolutamente inútil a la hora de producir circuitos electrónicos. Aún así se había conseguido crear componentes nanoelectrónicos elementales rudimentarios como transistores o duplicadores de frecuencia con estos «copos» de grafeno.
Por eso se soñaba con un método que permitiera crecer grafeno sobre, por ejemplo, una oblea de silicio de gran tamaño.
Este grupo de investigadores han conseguido demostrar que es posible hacer crecer grafeno sobre láminas de cobre en áreas del orden del centímetro cuadrado. En este caso la superficie está cubierta en más del 95% por una monocapa de átomos de carbono, siendo el resto pequeñas regiones con bicapas o tricapas de carbono.
El grafeno es tan prometedor desde el punto de vista electrónico porque los electrones circulan por él con una gran movilidad, superior a los portadores de carga de los semiconductores habituales.
Para medir la movilidad de los portadores de carga en este substrato centimétrico el grupo creó transistores de efecto de campo duales con la puerta aislada eléctricamente mediante una pequeña capa de alúmina (óxido de aluminio). Los dispositivos mostraron que la movilidad (algo muy deseable en todo circuito electrónico) es considerablemente superior a la del silicio, que es el material que se emplea el los circuitos del ordenador que usa usted. Esta movilidad es comparable a la del grafito natural.

Imágen de microscopia electrónica de barrido en la que se ven las “semillas” de grafeno sobre cobre a partir de las cuales crece la monocapa de carbono. Foto: University of Texas at Austin.

El método para el crecimiento de este substrato se basa en la deposición química de vapor. El «vapor» en este caso está compuesto por un mezcla de metano e hidrógeno y el carbono se deposita sobre una lámina de cobre policristalino de 25 micras de grosor bajo la acción de una temperatura de 1000 grados centígrados.
Intentos previos con este método sobre otros metales terminaron en fracaso debido a que el carbono se disolvía en el propio metal, creándose multicapas de grafeno y fronteras de grano, cosa que en este caso no ocurre.
De momento consiguen substratos de grafeno de un centímetro cuadrado, pero creen que es posible que en un futuro se consiga grafeno de calidad sobre obleas de silicio de 300mm de diámetro. Esto sería el Santo Grial de la electrónica de carbono.
El próximo paso que quieren dar es desarrollar un método para transferir delicadamente la capa de carbono desde el cobre a la oblea de semiconductor. Para ello quieren aprovechar la capacidad hidrofófica del grafeno para hacerlo flotar y luego transferirlo al nuevo soporte.
Dentro de unos años, cuando esté usando chips de grafeno en su ordenador, recuerde que ya se lo contamos aquí.

Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original (resumen).
Electrones relativistas en grafeno.
Sorprendente transistor de grafeno.
Superpapel de carbono.