El carbón: de combustible contaminante a materia prima para microelectrónica

El carbón es un recurso abundante en países como Estados Unidos, pero, por desgracia, el material ha contribuido al calentamiento global por su uso como combustible fósil. A medida que las naciones van pasando a otras fuentes de energía más limpias y sostenibles, el carbón pierde su utilidad tradicional. Sin embargo, podría tener otra, mucho más sofisticada que la de meramente quemarlo para aprovechar su calor.

Una investigación conjunta de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética (NETL), el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, estas tres instituciones de Estados Unidos, y la empresa Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, ha demostrado cómo el carbón puede desempeñar un papel vital en los dispositivos electrónicos de próxima generación.

«Normalmente se piensa en el carbón como algo ordinario y sucio, pero las técnicas de procesamiento que hemos desarrollado pueden transformarlo en materiales de gran pureza y de solo un par de átomos de grosor», destaca Qing Cao, de la Universidad de Illinois y miembro del equipo de investigación y desarrollo. «Sus estructuras y propiedades atómicas únicas son ideales para fabricar algunos de los componentes electrónicos más pequeños posibles con un rendimiento superior al de los mejores de hoy en día».

El nuevo proceso desarrollado por el NETL convierte un tipo de carbón en discos de carbono nanométricos denominados «puntos de carbono» que, tal como ha demostrado el grupo de investigación, pueden conectarse para formar membranas tan finas como el grosor de un átomo para componentes electrónicos que serán fundamentales para una nueva y más avanzada generación en el campo de la electrónica.

En la actual búsqueda de una electrónica más pequeña, rápida y eficiente, el último paso serán los dispositivos fabricados con materiales de solo uno o dos átomos de grosor; es imposible miniaturizar los dispositivos por debajo de este límite. Por sus reducidas dimensiones, los dispositivos de este tipo funcionan mucho más rápido y consumen mucha menos energía que los de dimensiones más tradicionales.

Aunque se han estudiado mucho los semiconductores ultrafinos, también es necesario disponer de aislantes con el grosor de uno o dos átomos. Solo así será posible construir dispositivos electrónicos de tamaño minúsculo que funcionen. Los aislantes son materiales que bloquean la corriente eléctrica.

Las capas de carbono con un grosor de uno o dos átomos y con estructuras atómicas desordenadas pueden funcionar como un excelente aislante para construir dispositivos bidimensionales (hechos a base de una lámina con el grosor de un solo átomo o poco más).

El equipo, integrado por Cao, Fufei An de la Universidad de Illinois y otros, ha demostrado que tales capas de carbono pueden formarse a partir de puntos de carbono derivados del carbón vegetal. Para demostrar sus capacidades, el equipo preparó dos ejemplos de dispositivos bidimensionales.

El equipo utilizó capas de carbono derivadas del carbón en transistores bidimensionales construidos sobre el semimetal grafeno o el semiconductor disulfuro de molibdeno para permitir una velocidad de funcionamiento del dispositivo más de dos veces superior al de los convencionales y con un menor consumo de energía.

Otra aplicación que ha estudiado el grupo de Cao son los memorresistores, componentes electrónicos capaces tanto de almacenar datos como de operar con ellos y que se perfilan como una pieza clave para mejorar bastantes sistemas de inteligencia artificial.

Una oblea conteniendo memorresistores fabricados con carbono bidimensional de alta calidad procesado a partir de un tipo de carbón, del que aquí aparecen dos muestras. (Imagen: The Grainger College of Engineering at University of Illinois Urbana-Champaign)

Estos dispositivos (memorresistores) almacenan y representan datos modulando un filamento conductor formado por reacciones electroquímicas entre un par de electrodos con el aislante intercalado.

Los investigadores descubrieron que la adopción de capas ultrafinas de carbono derivado del carbón como aislante permite la rápida formación de dicho filamento con un bajo consumo de energía para posibilitar una alta velocidad de funcionamiento del dispositivo y con un bajo consumo. Además, la calidad también aumenta.

El estudio se titula “Ultrathin Quasi-2D Amorphous Carbon Dielectric Prepared from Solution Precursor for Nanoelectronics”. Y se ha publicado en la revista académica Communications Engineering. (Fuente: NCYT de Amazings)