En el anterio artículo citamos las propiedades sobre el grafeno e hicimos un pequeño tour sobre el estado en el que se encuentra las investigaciones sobre él, así como las opiniones de la comunidad científica. En el texto que nos ocupa hoy vamos a centrarnos en una de las grandes ramas de investigación  desarrollo, y la que sin lugar a dudas más nos va a afectar en los años venideros.

El principal obstáculo que hasta ahora hemos tenido con el grafeno es la fabricación en cadena pero, de conseguirse (que ya se ha conseguido), la producción de grafeno promete ser barata y de bajo impacto ecológico. Al ser mejor conductor que el silicio, pierde menos energía, con lo que los circuitos duran más y consumen menos. Es carbono puro y se encuentra en abundancia en cualquier parte, en cualquier país del mundo (se genera como desecho al escribir con un lápiz, por ejemplo). Su uso generalizado en la industria permitiría suprimir otros materiales más caros y contaminantes, como el óxido de titanio o el óxido de estaño indio con el que se fabrican ahora la mayoría de las aplicaciones electrónicas transparentes. Pero, como recuerda el profesor Castro Neto, la transición puede no ser ni fácil ni rápida: “El silicio es un gran negocio en el que se ha invertido muchísimo dinero”.

En lugar de pensar en una transición veloz, como las que llevaron del cobre al germanio y del germanio al silicio, quizás sea más realista pensar en una larga convivencia de lo viejo (el silicio) con lo nuevo (el grafeno). Así lo espera Rod Ruoff, químico especializado en ingeniería mecánica de la Universidad de Texas. “Es más inteligente pensar en este nuevo material como un suplemento para fabricar híbridos. No he conocido a un solo trabajador en la industria, ni tan siquiera los más soñadores, que crea en una sustitución completa del silicio. Quizás deberíamos escucharlos más a ellos y menos a los académicos”, opina Ruoff. A esto recordemos que el grafeno conduce siempre la electricidad (recordemos que “no se podía apagar”) por lo que el uso y fabricación de híbridos no es que sea lógico, es que es del todo evidente.

IBM, la empresa que más patentes ha presentado en los últimos años, acaba de anunciar la creación de un transistor capaz de funcionar a una frecuencia de 100GHz.

Salvo algunos modelos experimentales, los ordenadores como el que estas usando para leer este articulo basan su funcionamiento en chips cuyo componente principal son transistores de silicio. Los transistores son el ladrillo fundamental de la electrónica actual y su velocidad es la que determina en gran medida que tan rápido (o lento) puede ser un equipo electrónico. Algunos investigadores pertenecientes a los más importantes fabricantes de componentes electrónicos creen que estamos muy cerca de alcanzar el límite de la velocidad que puede proporcionarnos el silicio, material con el que se fabrican además los microprocesadores actuales.  Una de las alternativas que se barajan a la hora de buscar un reemplazo para este material es el carbono,  lo que ha motivado a los laboratorios de las grandes empresas tecnológicas a experimentar con transistores basados en este material.

Las propiedades de este material permiten una mejor conducción de las cargas eléctricas, y esta es una de las razones que ha permitido a IBM alcanzar los 100 100GHz. Recordemos que  “100GHz” equivalen a 100 mil millones de cambios entre “0” y “1” por segundo. Un microprocesador moderno puede efectuar solamente unos 3 o 4 mil millones de cambios por segundo, por lo que el transistor de IBM podría ser el componente clave que permita la creación de nuevos dispositivos ultraveloces que revolucionarían el campo de la electrónica y las comunicaciones. Los detalles de la investigación que ha realizado el equipo de Avouris serán publicados en la revista Science. “La movilidad de los portadores de carga en el grafeno lo convierten en un candidato prometedor para los dispositivos electrónicos de alta velocidad. Este material conductor es el más delgado posible, ya que solo tiene un átomo de grosor”

Los científicos probaron que una nueva técnica de obtención de imágenes laterales puede utilizarse para observar cada una de las capas atómicas de grafeno en los dispositivos que han logrado construir. El equipo descubrió que las estructuras eran prácticamente perfectas, incluso aunque se acumulasen más de diez capas en la construcción de la pila.

Este avance muestra aún con mayor certeza la idoneidad del grafeno como un componente de gran importancia para la nueva generación de chips informáticos. Pero no analizándolo por la velocidad, si no por lo que puede miniaturizarse en este caso los componentes eléctricos, estamos hablando de rozar casi dimensiones moleculares.

Hasta tal punto hablamos de miniaturizar los microchips que …. ¿Le suena el acelerador de partículas del CERN? El complejo, que ocupa kilómetros cuadrados cerca de Ginebra (Suiza), sirve para explorar el mundo de lo infinitamente pequeño para buscar los elementos fundamentales de la materia. Pues podríamos fabricar un laboratorio con estas prestaciones y tenerlo en la yema del dedo.

Los físicos están tratando de usar el grafeno para fabricar una especie de acelerador en miniatura. “En un fragmento de grafeno de un único centímetro cuadrado es posible realizar muchos de los experimentos que hasta ahora requerían laboratorios como el del CERN”.

Los científicos Geim y Novoselov, implicados en este trabajo reconocen que aún deben encontrar la forma de controlar el flujo dee electrones a través del material, un requisito indispensable para construir cualquier tipo de circuito electrónico 100% funcional. El grafeno se comporta de una forma muy diferente al silicio, el material utilizado actualmente para construir chips. Un informe publicado por este equipo en la prestigiosa revista Nature Physics da cuenta que han descubierto que el nitruro de boro también influye en la manera en que los electrones se desplazan por el interior del grafeno, resultado que podría servir para desarrollar una nueva forma de control del flujo eléctrico en los chips de grafeno. “Para construir un transistor,” explica Brian LeRoy, del Departamento de Física de la Universidad de Arizona, “necesitamos controlar el flujo de electrones. Pero en el grafeno los electrones sólo seguir adelante. Es difícil detenerlos”. Pero su equipo ha descubierto que el nitruro de boro evita que un porcentaje de los electrones atraviesen la estructura, lo que sin dudas constituye un prometedor primer paso hacia un control efectivo del flujo de los electrones.

El grupo ha conseguido este control disponiendo láminas de grafeno sobre nitruro de boro con un ángulo determinado, que permite superponer las estructuras hexagonales de ambos materiales para crear grandes patrones hexagonales. Cuando el ángulo es el correcto, prácticamente la totalidad de los electrones no pueden pasar.

Por tanto han creado una especie de “hamburguesa” a lo ‘Big Mac’ con dos láminas de grafeno (capa de un átomo de grosor, recordemos) y otro material de dos dimensiones, el nitrato de boro, logrando una estructura de cuatro capas que al tener el grafeno completamente rodeado de nitrato de boro, los investigadores han podido observar cómo se comporta el grafeno sin estar afectado por el entorno, controlando sus propiedades eléctricas de una forma que antes no había sido posible.

Este es por tanto el esquema básico de los transistores con grafeno. Con este nuevo método en cuestión de meses podríamos ver la puesta en marcha de la fabricación de chips basados en grafeno para todo tipo de dispositivos.

Uno de los postulados más conocidos en el mundo de la electrónica es la Ley de Moore, un enunciado realizado por Gordon Moore (uno de los fundadores de Intel) en 1965 en el que nos venía a decir que cada dos años se duplicaría el número de transistores que se insertarían en los circuitos integrados, algo que se ha seguido cumpliendo prácticamente hasta nuestros días. La miniaturización, nos ha permitido aumentar la capacidad de proceso de nuestros circuitos integrados, sin embargo, la miniaturización comenzaba a ser un problema hoy en día con tamaños que hacen aflorar inestabilidades en el silicio, es por tanto que las aplicaciones del grafeno llegan en el mejor momento, tal vez promocionado por la búsqueda de las grandes empresas de electrónica en solucionar el problema que se les avecinaba con el silicio.

La miniaturización, y por tanto el aumento de la escala de integración de los circuitos electrónicos, permite desarrollar transistores más pequeños que hacen que la distancia que recorren los electrones a través del canal sea más pequeña algo que combinado con un material que aumente la movilidad de los electrones da como resultado un dispositivo mucho más potente. Tradicionalmente, la industria se ha enfocado en la reducción del tamaño hasta llegar al límite del propio silicio momento en el que ha mirado al grafeno, y a sus propiedades relativas a la movilidad de los electrones (que es 200 veces superior a la del silicio), como solución a sus problemas.

Samsung ha desarrollado el que será uno de los transistores que llevarán los dispositivos electrónicos del futuro, el Barristor, un transistor que compuesto de silicio y grafeno capaz de realizar conmutaciones extremadamente rápidas (requisito básico para utilizarlo en dispositivos electrónicos digitales). ¿Conmutación rápida? En condiciones ideales, un dispositivo digital debería pasar de estar activado a estar apagado de manera instantánea pero eso es algo que, realmente, no puede ocurrir puesto que tras retirar la alimentación, el transistor presenta un pequeño transitorio en el que aún circula corriente.

Para detener este flujo de electrones, el equipo del Instituto de Electrónica Avanzada de Samsung ha desarrollado lo que se conoce como barrera Schottky pero usando silicio (en vez de boro, como vimos antes) y grafeno para controlar la barrera que evita esta corriente, un principio que han plasmado en 9 patentes que definen el método de operación del Barristor y su estructura.

¿Y ahora qué? Samsung ha construido una puerta lógica básica para demostrar que el Barristor funciona correctamente y es capaz de funcionar a altas frecuencias de trabajo, abriendo la puerta al desarrollo de potentes microprocesadores que podrían superar la centena de GHz o llegar al THz en el futuro.

Pero como esperábamos en esta carrera de patentes en IBM han construido el primer circuito integrado con transistores de este material, que permitirá fabricar microprocesadores, sensores y sistemas de comunicación mucho más veloces que los actuales.

El circuito integrado está construido sobre una oblea de carburo de silicio y se compone de transistores de efecto de campo (FET) (Field Effect Transistor) hechos de grafeno, un. El circuito integrado también incluye estructuras metálicas, tales como inductores y los electrodos drenaje y fuente (Drain y Source) que conectan a los transistores de grafeno dentro del IC.

La tarea más compleja fue la integración del transistor FET de grafeno con los demás componentes dentro del circuito. Esto fue un desafío de ingeniería muy complejo, que tomó cerca de un año, debido a dos dificultades principales. Una es que los metales utilizados para la construcción de otras partes del circuito (aluminio, oro, paladio, etc.) no se adhieren muy bien a la grafeno. El otro escollo es el hecho de que el grafeno, siendo sólo de un átomo de espesor, se daña fácilmente con los procesos estándares de grabado de semiconductores. De todos modos, una de las características notables del modelo alcanzado es que el rendimiento del dispositivo no cambia demasiado cuando la temperatura varía entre 27°C y 127°C. Eso significa que un circuito integrado de grafeno no tendrá que ser sobre-dimensionado para compensar los cambios de temperatura y que de este modo se lograrán circuitos sencillos de construir y en consecuencia, económicos. El equipo de IBM tiene en su mirada un par de medidas que podrían mejorar el rendimiento del IC. Ejemplo de esto es el uso de capas más delgadas de dieléctrico en los transistores.

Pero no nos quedemos solo en los transistores y microchips, el grafeno tendrá otras aplicaciones dentro de la electrónica y la informática, hablemos de memorias:

El concepto de memristor fue propuesto por primera vez en 1971, pero fue hace apenas dos años cuando Hewlett-Packard construyó el primer dispositivo útil y funcional capaz de almacenar datos, basado en esta promisoria tecnología. HP planea comercializar la tecnología en tres años con un diseño que se compone (explicado de manera elemental) de dos conjuntos de cables paralelos dispuestos perpendicularmente entre sí, con una capa de dióxido de titanio intercalado entre ellos. Cada intersección de cables que forma una cruz es un memristor. Ahora, investigadores surcoreanos han anunciado que han logrado construir una memoria no-volátil basada en memristores utilizando, en lugar del dióxido de titanio, delgadas películas de óxido de grafeno. HP anunció la venta de sus memristores a partir de 2013.

Los memristores son la promesa de hacer realidad la elaboración de un nuevo tipo de memoria. Estos dispositivos pueden brindar un soporte de almacenamiento de información más denso, barato y de bajo consumo energético. Además, permiten ser construidos con películas de óxido de metal fino. La fabricación de dispositivos basados en óxido de grafeno permite abaratar costos y obtener métodos de fabricación más sencillos. Uno de estos sería la posibilidad de imprimir, en este caso las memorias, en láminas de plástico que puedan ser almacenadas en rollos y utilizadas en etiquetas RFID, por mencionar un ejemplo sencillo.

En palabras sencillas, el memristor cambia su resistencia dependiendo de la dirección y la cantidad de tensión aplicada. Y cada una de las “resistencias” que lo componen posee un efecto de “memoria” cuando la tensión de alimentación es retirada. Durante la construcción se depositan diminutos alambres de aluminio de 50 micrómetros de ancho sobre una hoja de 6,5 centímetros cuadrados de plástico y luego se pasa al proceso de colocar una solución en suspensión de partículas de óxido de grafeno sobre la superficie. Esto forma una fina capa de óxido en forma de escamas superpuestas sobre las que los investigadores depositan una matriz superior de alambre de aluminio. Este método permite obtener bloques de 25 memristores, cada 50 micras de ancho.

Como veis la “revolución grafenítica” se está produciendo ahora, en estos días, es mas durante la elaboración de este articulo hemos tenido que modificar hasta 3 veces lo escrito, cambiando posibles aplicaciones futuras por hechos producidos presentemente. Esperamos que os haya gustado el artículo, ya que aun nos queda material para contaros mucho más sobre el grafeno, pero en sus aplicaciones como sensores y pantallas táctiles.