Geim y Novoselov fabrican el primer transistor túnel-FET usando heteroestructuras verticales de grafeno

Quien piense que un Premio Nobel de Física se relaja tras recibir la gloria del premio no conoce a los padres del grafeno, Geim y Novoselov; no paran. Publican hoy en Science la fabricación del primer transistor túnel-FET (TFET o Tunnel Field-Effect Transistor en inglés) fabricado mediante una heteroestructura (dispositivo formado por varias capas delgadas de materiales alternados) que incorpora dos capas de grafeno. El nuevo transistor TFET mejora las prestaciones de otros diseños previos de transistores basados en el grafeno (como los del joven español Tomás Palacios en el MIT); por ejemplo, logra un cociente entre las señales de ON y OFF en conmutación cercano a 50 a temperatura ambiente, cuando diseños anteriores solo lograban un factor de 10, además es un dispositivo muy rápido con transiciones cada pocos femtosegundos. El área superficial del nuevo transisotr TFET de grafeno todavía no es tan pequeña como las de los transistores TFET convencionales, que están en la escala de los 10 nm, sin embargo, el grupo de Geim cree que aún hay espacio para futuras mejoras que reduzcan este factor. Parece que el grafeno ha entrado con fuerza en el mundo de la integración a pequeña escala y gran rendimiento. El artículo técnico es L. Britnell, R. V. Gorbachev, R. Jalil, B. D. Belle, F. Schedin, M. I. Katsnelson, L. Eaves, S. V. Morozov, N. M. R. Peres, J. Leist, A. K. Geim, K. S. Novoselov, L. A. Ponomarenko, «Field-effect tunneling transistor based on vertical graphene heterostructures,» Science, Published Online February 2, 2012 [gratis en ArXiv]. Por cierto, conviene seguir a Geim en Arxiv donde aparecen con algunos meses de antelación sus  artículos; al menos para mí es todo un placer (he rescatado este artículo de mis borradores, que ya superan los 85).

¿Por qué es importante este avance? Porque los transistores integrados en los chips del ordenador (o dispositivo móvil) con el que lees esto son transistores FET (en concreto MOSFET formados por tres capas de metal, óxido y semiconductor) con longitud de canal entre 45 y 65 nanómetros. Si se confirma la predicción del grupo de Geim, los nuevos TFET de grafeno podrían llegar a alcanzar un tamaño equivalente a un MOSFET con una longitud de canal de 10 nanómetros.

¿Algún día podrás disfrutar de un ordenador cuyos chips estén basado en las tecnologías del grafeno? Quien sabe. Este nuevo tipo de transistores TFET de grafeno tendrá que competir con los transistores TFET «convencionales» de nueva generación (ver por ejemplo Adrian M. Ionescu, Heike Riel, «Tunnel field-effect transistors as energy-efficient electronic switches,» Nature 479: 329–337, 17 November 2011). En este campo, el que no corre vuela.

Por cierto, yo hice mis pinitos en el estudio numérico  de heteroestructuras (superredes fractales); quizás tenga que poner a trabajar a alguno de mis estudiantes en el modelado de superredes fractales con capas de grafeno. Aunque no sirvan para nada, lo mismo es un tema que se publica fácil.

La meteórica carrera de Tomás Palacios y el transistor de grafeno ultrarrápido

dibujo20090504_tomas_palacios_mitEn España la fuga de cerebros sigue siendo una realidad. Aunque nos pese. El mejor ejemplo reciente es Tomás Palacios (el CiberPaís le ha dedicado una entrevista a toda  página). En España hubiera sido imposible, absolutamente imposible, que un joven (casi un niño) ingeniero de telecomunicaciones (acabó la carrera en 2001) haya obtenido la tesis doctoral y sea investigador principal de un grupo con 5 estudiantes de doctorado, 1 postdoc y hasta secretaria (según la web, en El País pone que son 12), atesorando más de 70 artículos en revistas internacionales y congresos internacionales. 

Posiblemente Tomás lo supiera y por eso se fue a la Universidad de California – Santa Barbara (UCSB) a estudiar Ingeniería Eléctrica, cuyo M.S. acabó en 2004. Siendo ingeniero estudiar de nuevo una ingeniería parece una tontería. Pero claro, siendo ya ingeniero la nueva ingeniería se estudia de manera diferente. Por ello en 2006 ya era Doctor en Ingeniería Eléctrica pora la UCSB. Y en EEUU está mal vista la endogamia, al contrario que en España. Así que Tomás se fue a, posiblemente, la mejor universidad tecnológica del mundo, el M.I.T. (Instituto Tecnológico de Massachusetts) como Assistant Professor (lo que en España sería similar a un Profesor Contratado Doctor). ¡Increíble! Se lo merece. ¡Bravo por Tomás!

Ya apuntaba buenas maneras siendo estudiante. En 1997 empezó a colaborar con el Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología de la Universidad Politécnica de Madrid, donde seguramente le recomendarían que se fuera fuera de España. Y se fue, antes de acabar teleco, estuvo en 2000, en el Grupo de Microelectrónica del mismísimo CERN, en Génova. Así que cuando emigró a EEUU para estudiar un M.S. en UCSB se incorporó a un grupo de investigación, en concreto el del Prof. Mishra, nada más empezar, no está nada mal. Una carrera meteórica, sin lugar a dudas.

Tomás ha ganado muchos premios, pero destacaré sólo uno el Premio Salvà i Campillo, Nit de las Telecomunicacions, de 2003 con su trabajo “Desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos basados en nitruros” (premiado en la categoría de ingeniero novel).

Volviendo al grano, en el CiberPaís, Laia Reventós (30/04/2009) nos titula «Llega el ‘chip’ de grafeno,» y nos aclara

«El español Tomás Palacios, profesor del MIT, consigue fabricar transistores de grafeno 10 veces más rápidos que los de silicio. Los ‘chips’ del revolucionario material, de un átomo de espesor, podrían alcanzar velocidades de mil GHz.»

dibujo20090504_nanotube_graphene_google_trends_analyticsYa hemos hablado en este blog del grafeno, descubierto en 2004. Hace menos de 1 año se ha convertido en sustituto aclamado por todos para el silicio, ya que los nanotubos de carbono no lo han logrado (no es fácil «pegar» nanotubos y silicio o arseniuro de galio, pero es muy fácil hacerlo con grafeno). Una sola capa atómica de carbono con propiedades entre semiconductor y metal que permite desarrollar dispositivos microelectrónicos como transistores. Hace un lustro, pura ciencia ficción.

El logro estrella de nuestro compatriota Tomás Palacios ha sido la fabricación de transistores de efecto de campo de grafeno (el transistor G-FET o  Graphene Field-Effect Transistor, donde se utiliza grafeno como drenador). Para los que no sepan los que un transistor FET la wiki es una ayuda. ¿Qué ventaja tiene el grafeno? Como el grafeno es una capa monoatómica, los electrones tienen un altísima movilidad, lo que permite obtener un transistor ultrarrápido. Con el silicio se logran unos 100 GHz de velocidad, valor que se mejora con arseniuro de galio y otras tierras raras, pero «pegando» mal con el silicio. Usando transistores de grafeno se alcanzá un terahercio (1 THz) «pegando» estupendamente con silicio. El artículo técnico es H. Wang, D. Nezich, J. Kong, T. Palacios, «Graphene Frequency Multipliers,» IEEE Electron Device Letters 30: 547-549, May 2009 . Para los que sois ingenieros de telecomunicaciones o electrónicos, el artículo merece que os molestéis en leerlo: la idea es extremadamente simple. La genialidad de Tomás queda demostrada… un artículo que cualquiera puede entender… un trabajo que cualquiera puede imitar… pero él ha sido el primero.

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¿Qué aplicaciones tendrá el trabajo de Tomás? Muchas, por ejemplo, multiplicadores de frecuencia para comunicaciones inalámbricas. ¿Qué aplicaciones tendrá la microelectrónica con grafeno? Infinitas. Bueno, nadie lo sabe realmente, pero muchas veces claman a que la microelectrónica con silicio y grafeno será la que permitirá la transición hasta la futura nanoelectrónica (posiblemente sólo con carbono, sea grafeno, grafano, nanotubos de carbono u otra maravilla «carbónica» por descubrir).

En palabras del propio Tomás «El grafeno es un material increíble. No sólo revoluciona la electrónica, la informática y las comunicaciones, sino que está cambiando la manera en la que se estudia la física».

¿Será Tomás Palacios el primer Nobel de Física para un español? Es pronto para saberlo, pero con su juventud y buenas ideas se convertirá en uno de los grandes «cerebros» españoles fugados. A mí el caso de Tomás Palacios me recuerda mucho al de Wolfgang Ketterle (también en MIT), valgan las distancias, claro está. ¿Quién es Ketterle? ¿De verdad me lo preguntas? Busca en la wiki. Bueno, no seré malo, sólo es un alemán que emigró a EEUU con su mujer y dos niños (siendo ya con 30 años catedrático en Alemania), cambió radicalmente de tema de investigación y ahora es Premio Nobel de Física. Pecata minuta. 

Otras entradas en este blog relacionadas con ésta:

Nanotransistores con canal de nanotubos para los ordenadores del futuro(Publicado por emulenews en Mayo 29, 2008).

El grafeno, la panacea de la nanoelectrónica (Publicado por emulenews en Marzo 27, 2009).

Desenrollando nanotubos de carbono multicapa en nanoláminas de grafeno (o cuando una imagen vale más que mil palabras) (Publicado por emulenews en Abril 16, 2009).

Nanotransistores con canal de nanotubos para los ordenadores del futuro

La mayoría de los ordenadores actuales utilizan microprocesadores con tecnología basada en transistores de efecto de campo FET de tipo MOS (metal-óxido-semiconductor). La tecnología microelectrónica más utilizada en la actualidad es la CMOS. El parámetro característico de un transistor MOS es la longitud del canal. Hasta hace poco se pensaba que era imposible bajar de una 1 micra para la longitud del canal, pero actualmente es fácil encontrar procesadores (los últimos de Intel) con 0,13 y hasta 0,08 micras (unos 80 nanómetros). La cuestión es, ¿se puede fabricar un transistor con una longitud de canal de pocos nanómetros? La física del estado sólido estándar no lo permite (requiere que por el canal pase un flujo de miles de electrones). Sin embargo, la nanotecnología ofrece varias posibilidades, siendo la más prometedora los transistores de nanotubos. Xinran Wang et al. «Room-Temperature All-Semiconducting Sub-10-nm Graphene Nanoribbon Field-Effect Transistors,» Phys. Rev. Lett. 100, 206803 ( 2008 ), presentan los transistores de efecto de campo basados en canal de nanotubos de menos de 10 nanómetros (sí, 0,01 micras), que tienen bastantes ventajas respecto a otros nanotransistores basados en nanotubos permitiendo todo tipo de dispositivos semiconductores. La tecnología GNFET dará bastante que hablar en el futuro.

Los transistores de efecto de campo FET basados en tecnología del grafeno son una de las tecnologías más prometedoras a la hora de sustituir a los transistores FET de los procesadores actuales. Los autores del artículo, por primera vez, han logrado fabricar con esta tecnología transistores con longitud de canal menor de 10 nm. La figura de abajo muestra la gran linealidad de las curvas de caracterización de estos nuevos transistores. La fabricación masiva de este tipo de transistores tardará unos años en llegar pero por ahora se encuentran entre las tecnologías más prometedoras.