JOSÉ PADILHA / UFPR
Materiales monoatómicos: hoja de fosforeno (arriba) y de grafeno (abajo)JOSÉ PADILHA / UFPRCálculos de un trio de investigadores de la Universidad de São Paulo (USP) demostraron que, al combinar dos de los más interesantes materiales descubiertos recientemente por la física ‒el grafeno y el fosforeno‒, es posible construir un transistor que funciona con una disipación de energía mínima. Este dispositivo, que mide unos pocos nanómetros (millonésimas de milímetro), funcionaría merced a una forma especial de combinación de ambos materiales que permite preservar las características de cada uno de ellos. José Padilha, Adalberto Fazzio y Antônio José Roque da Silva demostraron que, a diferencia de lo que sucede con los transistores actuales de silicio, los electrones de una corriente eléctrica casi no perderían energía al pasar de una lámina de grafeno a una de fosforeno, ni al hacer el camino inverso.
Esta previsión, publicada en febrero en Physical Review Letters, fue confirmada en laboratorio por un equipo de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), en la cual participa el brasileño Antônio Castro Neto, director del Centro para Materiales Avanzados 2D y del Centro de Investigación del Grafeno en la NUS.
Los transistores, que constituyen la base del funcionamiento de las computadoras actuales, funcionan como los interruptores de energía que encienden y apagan una lámpara. Los estados de “encendido” y “apagado” representan los ceros y los unos del código binario, el lenguaje de las computadoras. Los microprocesadores más recientes contienen entre mil y dos mil millones de transistores, cada uno con 45 nanómetros de longitud, hechos con materiales a base de silicio. Estos transistores están conectados unos con otros –y a los demás componentes electrónicos del microprocesador– por alambres de metal (de oro o cobre).
Al pasar de los cables a los transistores y de éstos a los cables, los electrones de la corriente eléctrica pierden parte de su energía en forma de calor debido a la resistencia de contacto entre el metal y el semiconductor. Actualmente, ese calor no obstaculiza el funcionamiento de los microprocesadores. Con todo, si la tendencia a la miniaturización de estos componentes sigue avanzando al ritmo de las últimas décadas, la situación puede complicarse. “Puede llegar el momento en que la disipación de calor queme el dispositivo o impida su funcionamiento”, explica Padilha. El investigador, en la actualidad docente de la Universidad Federal de Paraná – Campus Avanzado de Jandaia do Sul, realizó los cálculos demostrando la posibilidad de construir transistores de grafeno y fosforeno en un estadio de posdoctorado en la USP, bajo la supervisión de Fazzio y José Roque.
En los últimos años, científicos de diversos centros imaginaron que la salida al problema del contacto estaría en el grafeno. Descubierto en 2004, este material está conformado por átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal y con un átomo de espesor. Los electrones se deslizan por el grafeno miles de veces más rápido que en el silicio, y con una pérdida mínima de energía.
“El grafeno sólo tiene un problema: no es un material semiconductor como el silicio”, explica Padilha. Los transistores están hechos con materiales semiconductores porque éstos permiten controlar el paso de electrones y crear los ceros y unos de las computadoras. Los semiconductores sólo conducen electrones con energía superior a un cierto valor. En el transistor, ese valor funciona como una barrera, que puede levantarse o bajarse con la ayuda de un campo eléctrico. Esa barrera ajustable –ora deja pasar los electrones, ora los bloquea– hace posible utilizar tal propiedad para codificar información binaria. “Si el grafeno se comportase así, sería el material perfecto”, dice Padilha.
Esta limitación del grafeno llevó a investigadores de todo el mundo a buscar otros materiales de una sola capa atómica. Se descubrieron varios, pero el interés actual recae sobre el identificado más recientemente: el fosforeno. Formado por una capa monoatómica de fósforo, éste no permite que los electrones se muevan tan rápidamente como en el grafeno, aunque viajan más rápido que en el silicio. La ventaja del fosforeno radica en que es semiconductor. En diciembre de 2013, José Roque empezó a discutir con Padilha y Fazzio la idea de investigar cómo sería el contacto ideal de un transistor de fosforeno en un circuito eléctrico. “El fosforeno pierde sus propiedades semiconductoras si se lo suelda a alambres de cobre u oro en un circuito convencional”, explica Padilha. “Asimismo, el contacto con los átomos de los alambres provocaría la disipación de energía de los electrones en forma de calor.”
Padilha, Fazzio y José Roque propusieron sortear este problema reemplazando el contacto de alambres por una capa de grafeno superpuesta a una de fosforeno. Mientras el contacto entre los alambres y el fosforeno se concretaría mediante enlaces químicos entre átomos, las capas de fosforeno y grafeno están unidas por una fuerza atractiva de baja intensidad: la interacción de van der Waals. Pese a ser tenue, esa fuerza electromagnética permite que los átomos del grafeno y del fosforeno compartan sus electrones, sin que las propiedades electrónicas de un material interfieran en las del otro.
Una vez hallada la solución, Padilha, Fazzio y José Roque calcularon el comportamiento de los electrones en el transistor. Es una tarea complicada, ya que los electrones no funcionan como minúsculas bolitas que se mueven en el interior del dispositivo. En lugar de ello, constituyen una mezcla cuántica de ondas y partículas, cuyo comportamiento se describe mediante ecuaciones matemáticas cuya resolución tarda meses en procesarse en superclusters de computadoras. Los resultados publicados en Physical Review Letters mostraron que el “sándwich” de fosforeno y grafeno funciona como un transistor que pierde poquísima energía en sus contactos y puede ser “encendido” o “apagado” por un campo eléctrico.
Casi al mismo tiempo, un equipo de físicos liderado por Barbaros Özyilmaz en la NUS construyó en laboratorio un transistor similar al imaginado por los brasileños. La diferencia reside en que las capas de fosforeno, material que funciona como semiconductor, y las dos tiras de grafeno, utilizadas para realizar el contacto del transistor con el resto del circuito, elaborado con dispositivos electrónicos de silicio, están recubiertas por una capa de nitruro de boro hexagonal. Este material protege a las restantes capas contra el oxígeno del aire. El transistor funcionó perfectamente en las pruebas. “Obtuvimos los mejores resultados entre todos los dispositivos de fosforeno ya construidos”, afirma Antônio Castro Neto. Castro Neto, físico teórico de la NUS e investigador del proyecto intitulado “Grafeno: fotónica y optoelectrónica: colaboración UPM-NUS” del programa São Paulo Excellence Chair (Spec) de la FAPESP, con sede en el centro MackGraphe, de la Universidad Mackenzie, colaboró en el análisis de los datos del experimento, que confirmó las previsiones del grupo de la USP.
Según Padilha, los mismos cálculos pueden orientar combinaciones de hojas de grafeno y otros semiconductores de capa atómica única. “Hicimos un transistor, pero podríamos crear una célula solar cuyos electrones, excitados por la luz del Sol, se trasladarían casi sin perder energía de la capa semiconductora a la de grafeno”, dice Padilha. “Existe una gran apuesta en la combinación de materiales bidimensionales como éstos para producir estructuras con nuevas propiedades”, concluye José Roque.
Proyecto
Propiedades electrónicas, magnéticas y de transporte en nanoestructuras (nº 2010/16202-3); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Adalberto Fazzio (IF-USP); Inversión R$ 1.327.201,88 (FAPESP – para todo el proyecto).
Artículos científicos
PADILHA, J. E. et al. Heterostructure of phosphorene and graphene: Tuning the schottky barrier and doping by electrostatic gating. Physical Review Letters. v. 114. 12 feb. 2015.
AVSAR, A. et al. Air-stable transport in graphene-contacted, fully encapsulated ultrathin black phosphorus-based field-effect transistors. ACS Nano. v. 9, n. 4. 13 mar. 2015.
