El grafeno y las comunicaciones inalámbricas

por | Dic 25, 2010 | Aplicaciones comerciales | 0 Comentarios

Transistor triple: un único transistor de grafeno como éste puede operar en tres modos y llevar a cabo funciones que normalmente requieren varios transistores en un circuito.
Fuente: Alexander Balandin

El potencial del grafeno fue reconocido previamente este mes cuando se otorgó el Premio Nobel de Física a quienes lo estudiaron en un laboratorio por primera vez. Sin embargo, los investigadores justo empiezan a entender cómo aprovechar este novedoso material de carbono para los dispositivos electrónicos.

Los investigadores ya han desarrollado transistores de grafeno vertiginosamente rápidos. Recientemente, han usado el grafeno para crear un transistor que puede cambiar entre tres modos diferentes de operación, lo que que en los circuitos convencionales requiere tres transistores por separado. Este tipo de transistores configurables podría permitir el desarrollo de chips para enviar y recibir señales inalámbricas más compactos.

Unos chips que utilizaran menos transistores, manteniendo las mismas funciones podrían ser más baratos, consumir menos energía, y liberar espacio en el interior de dispositivos electrónicos portátiles como los teléfonos de tipo smartphone, donde el espacio es reducido. El nuevo transistor de grafeno es un dispositivo analógico, del tipo que se utiliza para las comunicaciones inalámbricas en los auriculares Bluetooth y las etiquetas de identificación por radio frecuencia (RFID, por sus siglas en inglés).

La estructura perfecta a nivel atómico del grafeno proporciona un camino sin escollos para los electrones, y, a temperatura ambiente, el material conduce los electrones mejor que cualquier otro. Hasta el momento, se ha utilizado para fabricar transistores que transicionan a aproximadamente 100 gigahercios, o 100 mil millones de veces por segundo, 10 veces más rápido que los mejores transistores de silicio; se ha predicho que el material podría ser utilizado para desarrollar transistores hasta 1.000 veces más rápido que esto. Además, como el grafeno es liso y plano, debería ser compatible con el equipo de fabricación de chips de las fábricas de semiconductores existentes.

Sin embargo, el grafeno ofrece otras propiedades interesantes aparte de simplemente ser un gran conductor de electrones, destaca Kartik Mohanram, profesor de ingeniería eléctrica y de ingeniería informática de la Universidad Rice. También es posible cambiar el comportamiento de un transistor de grafeno sobre la marcha, algo que no se puede hacer con los transistores de silicio convencionales. Los transistores que componen los circuitos lógicos de silicio convencionales sólo pueden comportarse de una de dos formas, llamadas “n” para negativa o “p” para positiva–controlan o bien el flujo de electrones o el flujo de “agujeros” o cargas positivas . Que un transistor convencional sea de tipo p o de tipo n es algo que se determina durante la fabricación. Sin embargo, el grafeno es ambipolar: puede conducir tanto las cargas positivas como las negativas.

Mohanram ha diseñado un transistor que puede ser cambiado, y lo ha fabricado y probado con Alexander Balandin, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales de la Universidad de California en Riverside. Cambiando el voltaje aplicado a una hoja de grafeno con tres puertas eléctricas, consiguieron cambiar el grafeno entre tres modos diferentes: el de tipo n, el de tipo p, y un modo donde se conduce tanto las cargas positivas como las negativas. Este transistor de triple modo actúa como un amplificador y se puede utilizar para codificar una secuencia de datos cambiando la frecuencia y la fase de una señal. Los cambios de fase y de frecuencia se usan para cifrar datos en los dispositivos de telecomunicaciones, tales como los auriculares Bluetooth y las eitquetas RFID.

El dispositivo de Mohanram y Balandin es el primero que puede realizar este nivel de procesamiento de señales en un solo transistor. Normalmente, este tipo de procesamiento requiere varios transistores. Su transistor es un dispositivo de prueba de concepto, pero Mohanram afirma que demuestra las posibilidades del grafeno.

Otros grupos han probado varios transistores multimodo de grafeno, nanotubos de carbono y moléculas orgánicas. Los investigadores afirman que el nuevo circuito de triple modo de grafeno se puede controlar mejor que los otros dispositivos.

El control es fundamental en el diseño de transistores ambipolares, afirma Subhasish Mitra, profesor de ingeniería eléctrica e ingeniería informática de la Universidad de Stanford. “La gente solía considerar la ambipolaridad como algo malo” porque generalmente es difícil de controlar cómo se comportará un transistor ambipolar, lo que hace difícil usarlos para cualquier cosa, destaca él.

Mitra señala que, en el próximo paso, los beneficios obtenidos a nivel de un solo transistor tienen que ser demostrados en sistemas enteros. Las puertas eléctricas necesarias para controlar el comportamiento de matrices de transistores ambipolares podría terminar por hacer los circuitos más difíciles de diseñar y de fabricar. “Una vez han demostrado que pueden hacer esto, tenemos que ver qué beneficios aporta a nivel de sistemas”, indica él.

Actualmente, Balandin y Mohanram están trabajando en nuevos circuitos de grafeno para probar los beneficios de la ambipolaridad a un nivel superior. También están cambiando el diseño de los transistores en sí para hacerlos más eficientes.

Aún no se ha publicado ningún artículo sobre la creación de circuitos integrados de transistores de grafeno, pero Balandin afirma que, en este momento, los investigadores están a punto de ponerlo todo junto. A medida que los científicos de materiales y los fabricantes de dispositivos trabajan en superar los retos del desarrollo con grafeno, destaca Mohanram, los diseñadores de circuitos deberían mantenerse a la par con ellos y pensar creativamente sobre la ambipolaridad y otras nuevas posibilidades abiertas por el grafeno y otros nanomateriales. “Es posible que los nuevos diseños y las nuevas formas de pensar se queden a la zaga del desarrollo de nuevos materiales”, advierte él.

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