Los primeros circuitos de nanotubos de carbono tridimensionales, hechos por investigadores de la Universidad de Stanford, podrían ser un paso importante dentro de la fabricación de ordenadores de nanotubos más rápidos y que utilicen menos energía que los chips de silicio de hoy día. Este tipo de ordenadores no estarán disponibles hasta dentro de diez años, aunque el estudio de Stanford ya muestra que es posible fabricar circuitos apilados utilizando nanotubos de carbono. Los circuitos apilados reúnen más potencia de proceso en un área determinada, y también son mejores a la hora de disipar el calor de desecho.

Un estudio reciente de IBM mostró que teniendo en cuenta un consumo total de potencia determinado, 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 más y más pequeños, pero al llegar a dimensiones extremadamente pequeñas dejan de mostrar el tipo de rendimiento deseado,” afirma Zhihon Chen, director de tecnología de carbono en el Centro de Investigación Watson de IBM. “Estamos buscando materiales alternativo que se puedan hacer a escalas mucho más pequeñas y aún así mantengan el rendimiento del dispositivo.”

Los investigadores han tenido mucho éxito a la hora de fabricar transistores de un único nanotubo en el laboratorio, pero ha resultado difícil crear circuitos más complejos puesto que es imposible controlar la calidad de cada uno de los nanotubos. Los diseños de circuito de Stanford, que se presentaron la semana pasada en la Reunión Internacional de Dispositivos de Electrones en Baltimore, hace que sea posible crear circuitos de nanotubos más complejos a pesar de las limitaciones del material.

“Al tratar con una gran cantidad de componentes a nanoescala, no podemos pedir que todo sea perfecto,” afirma H.-S. Philip Wong, profesor de ingeniería eléctrica en Stanford. Cuando los investigadores de Stanford cultivan matrices de nanotubos para crear circuitos, obtienen una mezcla de nanotubos semiconductores y nanotubos metálicos que causan cortocircuitos si no son eliminados. Algunos nanotubos crecen en líneas rectas, aunque algunos tienen forma de garabato, y estos también hay que arreglarlos. Aunque los químicos están trabajando para encontrar métodos con los que cultivar nanotubos puros y rectos, los investigadores de Stanford se cuestionan, afirma Wong, “cómo lo mitigamos y cómo nos aseguramos de que el sistema va a funcionar.”

La respuesta a esto viene dada por el hecho de tener en cuenta las limitaciones de los materiales en los diseños de los circuitos. “Tenemos que encontrar la forma de construir teniendo en cuenta los nanotubos eléctricos para que no resulten un problema,” afirma Subhasish Mitra, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias informáticas en Stanford. El grupo de Stanford comienza fabricando lo que Mitra denomina como distribución “tonta”. Mediante el uso de un sello, los investigadores transfieren una matriz de nanotubos alineada y alisada cultivada sobre un sustrato de cuarzo a una oblea de silicio. Después colocan electrodos de metal sobre los nanotubos. En la superficie de la oblea, entre el silicio y los nanotubos, se encuentra una capa de aislamiento que actúa como puerta trasera, permitiendo a los investigadores apagar los nanotubos semiconductores antes de utilizar los electrodos de metal para quemar los nanotubos metálicos con una descarga de electricidad. Después se añade una puerta superior de tal forma que no se conecte con ningún tubo que no esté alineado. Más tarde los circuitos son grabados para eliminar los electrodos de metal que no se necesiten dentro de diseño final del circuito.

Para fabricar un circuito tridimensional, los investigadores simplemente repiten el proceso de sellado y cultivo de electrodos para apilar cuantas capas sean necesarias antes del proceso final de grabado. El proceso de sellado de nanotubos, que el grupo de Stanford demostró por primera vez el año pasado, es clave para crear capas apiladas puesto que se puede hacer a bajas temperaturas y no funde los contactos eléctricos metálicos en las capas inferiores.

Mientras que los científicos de los materiales aún están trabajando en la forma de cultivar lotes de nanotubos de carbono y que todos sean semiconductores, el grupo de Stanford está trabajando en el problema. “En vez de quemar un tubo cada vez, lo hacen a nivel de circuito, después diseñan los circuitos de forma inteligente para esquivar los tubos quemados,” afirma Chen desde IBM.

“Han hecho demostraciones de circuitos pequeños y simples, como lo que se hizo a mitad de los años 60 con el silicio,” afirma Shekhar Borkar, miembro de Intel y director del laboratorio de tecnología de microprocesadores de la compañía. El grupo de Stanford ha fabricado, por ejemplo, una calculadora simple que puede sumar y almacenar números.

El grupo de Stanford está trabajando en la actualidad para hacer circuitos integrados aún más complejos. “Hasta ahora, y en cuanto a la complejidad, fundamentalmente no existen barreras” en los nanotubos de carbono, afirma Mitra. Sin embargo hay barreras en cuanto a los materiales. Las matrices de nanotubos de Stanford son de las más densas jamás creadas, con 5 a 10 nanotubos por micrómetro, aunque esto no es suficiente. “Necesitamos 100 nanotubos por micrómetro para obtener rendimientos realmente buenos,” afirma Wong.