Los transistores fueron creados utilizando unos procesos que resultan compatibles con la manufactura de semiconductores existente en la actualidad, y los expertos afirman que se podrían escalar para producir transistores de uso en la toma de imágenes de alto rendimiento, en radares y en dispositivos de comunicación de aquí a unos cuantos años, además de en veloces procesadores de ordenador en alrededor de una década.
Los investigadores ya han construido transistores de grafeno con anterioridad utilizando métodos mecánicos laboriosos, por ejemplo descascarando láminas de grafeno a partir del grafito; los transistores más rápidos construidos de este modo alcanzaron velocidades de hasta 26 gigahercios. Los transistores fabricados utilizando métodos similares no han logrado igualar estas velocidades.
El cultivo de transistores en una oblea no sólo lleva a una mayor velocidad, sino que también tiene más posibilidades comerciales, afirma Phaedon Avouris, líder del grupo de tecnología y ciencia y a nanoescala del Centro de Investigación Watson de IBM en Ossining, Nueva York, donde se llevó a cabo el trabajo.
Finalmente, el grafeno tiene el potencial para reemplazar al silicio en los procesadores de ordenador de alta velocidad. Al tiempo que los ordenadores aumentan su velocidad cada año, el silicio se acerca cada vez más a sus límites físicos, y el grafeno proporciona un reemplazo potencial prometedor puesto que los electrones se mueven a través del material mucho más rápidamente que a través del silicio. “Incluso sin optimizar el diseño, estos transistores ya son 2,5 veces mejores que los de silicio,” señala Yu-Ming Lin, otro investigador del Watson de IBM y colaborador de Avouris.
Existen otros investigadores que han creado transistores de gran velocidad utilizando materiales semiconductores de alto coste como el fosfuro de indio, sin embargo estos dispositivos sólo pueden operar a bajas temperaturas. En teoría, el grafeno tiene las propiedades necesarias para hacer que los transistores funcionen a velocidades de un terahercio y a una temperatura ambiente.
Los investigadores de IBM cultivaron el grafeno sobre la superficie de una oblea de carburo de silicio de dos pulgadas. El proceso comienza con el calentamiento de la oblea hasta que el silicio se evapora, dejando atrás una fina capa de carbono, conocida como grafeno epitaxial. Esta técnica se ha utilizado para crear transistores con anterioridad, pero el equipo de IBM ha mejorado el proceso mediante el uso de mejores materiales para las otras partes del transistor, en particular el aislante.
“Las propiedades del grafeno son muy sensibles a su ento o,” señala Lin. Por esta razón el grupo de IBM se centró en el diseño de una capa de aislamiento—la parte del transistor que previene los cortocircuitos. Descubrieron que al añadir una fina capa de polímero entre el dieléctrico y el grafeno se lograba mejorar el rendimiento. El trabajo está descrito esta semana en la revista Science.
Walter de Heer, profesor de física de Georgia Tech en Atlanta y pionero de los métodos usados para trabajar con el grafeno epitaxial, afirma que el dispositivo de IBM es todo un hito gracias a su velocidad y gracias a que está hecho utilizando técnicas de fabricación prácticas. “No estamos hablando de castillos en el aire, esto es real,” afirma. “Este desarrollo realmente se va a convertir en un dispositivo de comunicaciones en poco tiempo.”
“Podemos aplicar las mismas tecnologías de procesado para acerca os mucho más a lo que sería un producto,” afirma Avouris. El año pasado, el mismo grupo de IBM, así como un grupo independiente en los Laboratorios HRL de Malibu, Califo ia, crearon transistores de grafeno de 10 gigahercios utilizando un método llamado exfoliación mecánica. Este proceso consiste en pelar capas a partir de una pequeña pieza de grafeno hasta que sólo quede una lámina de un átomo de grosor, que después se coloca sobre un sustrato y se esculpe para formar un transistor. El problema de este método es que compromete las propiedades eléctricas del grafeno y no se puede escalar a nivel comercial, afirma Avouris.
Las primeras aplicaciones de los transistores de grafeno probablemente serán en forma de interruptores y amplificadores en componentes electrónicos analógicos militares. De hecho, el trabajo del grupo de IBM está apoyado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada en Defensa. Sin embargo los investigadores afirman que pasarán años antes de que la compañía empiece el desarrollo comercial de componentes electrónicos de carbono.
De Heer señala que los dispositivos de IBM aún no aprovechan todo el potencial del grafeno. Mediante un cuidadoso control de las condiciones de cultivo, su grupo ha creado grafeno capaz de conducir electrones 10 veces más rápidamente que el material utilizado por el equipo de IBM. Su grafeno de más alta calidad podría, en teoría, ser utilizado para crear transistores que alcanzasen velocidades en el rango de los terahercios, aunque De Heer señala que muchas cosas podrían salir mal a la hora de escalar la tecnología.
Avouris afirma que el equipo de IBM trabajará para mejorar la velocidad de sus transistores mediante su miniaturización. Los que ha fabricado hasta ahora son de 240 nanómetros de largo, lo que resulta relativamente grande—los componentes electrónicos de silicio son de unos 20 nanómetros. Avouris también cree que su rendimiento podría mejorarse haciendo que la capa de aislamiento fuera más delgada. “El siguiente paso es intentar integrar estos transistores dentro de un circuito verdaderamente operativo,” afirma.