{"id":205384,"date":"2015-12-02T13:14:07","date_gmt":"2015-12-02T15:14:07","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=205384"},"modified":"2015-12-02T13:14:07","modified_gmt":"2015-12-02T15:14:07","slug":"menos-perdida-de-energia","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/menos-perdida-de-energia\/","title":{"rendered":"Menos p\u00e9rdida de energ\u00eda"},"content":{"rendered":"
\"Materiales

JOS\u00c9 PADILHA \/ UFPR<\/span><\/a> Materiales monoat\u00f3micos: hoja de fosforeno (arriba<\/em>) y de grafeno (abajo<\/em>)JOS\u00c9 PADILHA \/ UFPR<\/span><\/p><\/div>\n

C\u00e1lculos de un trio de investigadores de la Universidad de S\u00e3o Paulo (USP) demostraron que, al combinar dos de los m\u00e1s interesantes materiales descubiertos recientemente por la f\u00edsica \u2012el grafeno y el fosforeno\u2012, es posible construir un transistor que funciona con una disipaci\u00f3n de energ\u00eda m\u00ednima. Este dispositivo, que mide unos pocos nan\u00f3metros (millon\u00e9simas de mil\u00edmetro), funcionar\u00eda merced a una forma especial de combinaci\u00f3n de ambos materiales que permite preservar las caracter\u00edsticas de cada uno de ellos. Jos\u00e9 Padilha, Adalberto Fazzio y Ant\u00f4nio Jos\u00e9 Roque da Silva demostraron que, a diferencia de lo que sucede con los transistores actuales de silicio, los electrones de una corriente el\u00e9ctrica casi no perder\u00edan energ\u00eda al pasar de una l\u00e1mina de grafeno a una de fosforeno, ni al hacer el camino inverso.<\/p>\n

Esta previsi\u00f3n, publicada en febrero en Physical Review Letters<\/em>, fue confirmada en laboratorio por un equipo de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), en la cual participa el brasile\u00f1o Ant\u00f4nio Castro Neto, director del Centro para Materiales Avanzados 2D y del Centro de Investigaci\u00f3n del Grafeno en la NUS.<\/p>\n

Los transistores, que constituyen la base del funcionamiento de las computadoras actuales, funcionan como los interruptores de energ\u00eda que encienden y apagan una l\u00e1mpara. Los estados de \u201cencendido\u201d y \u201capagado\u201d representan los ceros y los unos del c\u00f3digo binario, el lenguaje de las computadoras. Los microprocesadores m\u00e1s recientes contienen entre mil y dos mil millones de transistores, cada uno con 45 nan\u00f3metros de longitud, hechos con materiales a base de silicio. Estos transistores est\u00e1n conectados unos con otros \u2013y a los dem\u00e1s componentes electr\u00f3nicos del microprocesador\u2013 por alambres de metal (de oro o cobre).<\/p>\n

Al pasar de los cables a los transistores y de \u00e9stos a los cables, los electrones de la corriente el\u00e9ctrica pierden parte de su energ\u00eda 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 miniaturizaci\u00f3n de estos componentes sigue avanzando al ritmo de las \u00faltimas d\u00e9cadas, la situaci\u00f3n puede complicarse. \u201cPuede llegar el momento en que la disipaci\u00f3n de calor queme el dispositivo o impida su funcionamiento\u201d, explica Padilha. El investigador, en la actualidad docente de la Universidad Federal de Paran\u00e1 \u2013 Campus Avanzado de Jandaia do Sul, realiz\u00f3 los c\u00e1lculos demostrando la posibilidad de construir transistores de grafeno y fosforeno en un estadio de posdoctorado en la USP, bajo la supervisi\u00f3n de Fazzio y Jos\u00e9 Roque.<\/p>\n

En los \u00faltimos a\u00f1os, cient\u00edficos de diversos centros imaginaron que la salida al problema del contacto estar\u00eda en el grafeno. Descubierto en 2004, este material est\u00e1 conformado por \u00e1tomos de carbono dispuestos en un patr\u00f3n hexagonal y con un \u00e1tomo de espesor. Los electrones se deslizan por el grafeno miles de veces m\u00e1s r\u00e1pido que en el silicio, y con una p\u00e9rdida m\u00ednima de energ\u00eda.<\/p>\n

\"060-061_Fosforeno_232\"<\/a>\u201cEl grafeno s\u00f3lo tiene un problema: no es un material semiconductor como el silicio\u201d, explica Padilha. Los transistores est\u00e1n hechos con materiales semiconductores porque \u00e9stos permiten controlar el paso de electrones y crear los ceros y unos de las computadoras. Los semiconductores s\u00f3lo conducen electrones con energ\u00eda 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 el\u00e9ctrico. Esa barrera ajustable \u2013ora \u00a0deja pasar los electrones, ora los bloquea\u2013 hace posible utilizar tal propiedad para codificar informaci\u00f3n binaria. \u201cSi el grafeno se comportase as\u00ed, ser\u00eda el material perfecto\u201d, dice Padilha.<\/p>\n

Esta limitaci\u00f3n del grafeno llev\u00f3 a investigadores de todo el mundo a buscar otros materiales de una sola capa at\u00f3mica. Se descubrieron varios, pero el inter\u00e9s actual recae sobre el identificado m\u00e1s recientemente: el fosforeno. Formado por una capa monoat\u00f3mica de f\u00f3sforo, \u00e9ste no permite que los electrones se muevan tan r\u00e1pidamente como en el grafeno, aunque viajan m\u00e1s r\u00e1pido que en el silicio. La ventaja del fosforeno radica en que es semiconductor. En diciembre de 2013, Jos\u00e9 Roque empez\u00f3 a discutir con Padilha y Fazzio la idea de investigar c\u00f3mo ser\u00eda el contacto ideal de un transistor de fosforeno en un circuito el\u00e9ctrico. \u201cEl fosforeno pierde sus propiedades semiconductoras si se lo suelda a alambres de cobre u oro en un circuito convencional\u201d, explica Padilha. \u201cAsimismo, el contacto con los \u00e1tomos de los alambres provocar\u00eda la disipaci\u00f3n de energ\u00eda de los electrones en forma de calor.\u201d<\/p>\n

Padilha, Fazzio y Jos\u00e9 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 concretar\u00eda mediante enlaces qu\u00edmicos entre \u00e1tomos, las capas de fosforeno y grafeno est\u00e1n unidas por una fuerza atractiva de baja intensidad: la interacci\u00f3n de van der Waals. Pese a ser tenue, esa fuerza electromagn\u00e9tica permite que los \u00e1tomos del grafeno y del fosforeno compartan sus electrones, sin que las propiedades electr\u00f3nicas de un material interfieran en las del otro.<\/p>\n

Una vez hallada la soluci\u00f3n, Padilha, Fazzio y Jos\u00e9 Roque calcularon el comportamiento de los electrones en el transistor. Es una tarea complicada, ya que los electrones no funcionan como min\u00fasculas bolitas que se mueven en el interior del dispositivo. En lugar de ello, constituyen una mezcla cu\u00e1ntica de ondas y part\u00edculas, cuyo comportamiento se describe mediante ecuaciones matem\u00e1ticas cuya resoluci\u00f3n tarda meses en procesarse en superclusters<\/em> de computadoras. Los resultados publicados en Physical Review Letters<\/em> mostraron que el \u201cs\u00e1ndwich\u201d de fosforeno y grafeno funciona como un transistor que pierde poqu\u00edsima energ\u00eda en sus contactos y puede ser \u201cencendido\u201d o \u201capagado\u201d por un campo el\u00e9ctrico.<\/p>\n

Casi al mismo tiempo, un equipo de f\u00edsicos liderado por Barbaros \u00d6zyilmaz en la NUS construy\u00f3 en laboratorio un transistor similar al imaginado por los brasile\u00f1os. 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 electr\u00f3nicos de silicio, est\u00e1n recubiertas por una capa de nitruro de boro hexagonal. Este material protege a las restantes capas contra el ox\u00edgeno del aire. El transistor funcion\u00f3 perfectamente en las pruebas. \u201cObtuvimos los mejores resultados entre todos los dispositivos de fosforeno ya construidos\u201d, afirma Ant\u00f4nio Castro Neto. Castro Neto, f\u00edsico te\u00f3rico de la NUS e investigador del proyecto intitulado \u201cGrafeno: fot\u00f3nica y optoelectr\u00f3nica: colaboraci\u00f3n UPM-NUS\u201d del programa S\u00e3o Paulo Excellence Chair (Spec) de la FAPESP, con sede en el centro MackGraphe, de la Universidad Mackenzie, colabor\u00f3 en el an\u00e1lisis de los datos del experimento, que confirm\u00f3 las previsiones del grupo de la USP.<\/p>\n

Seg\u00fan Padilha, los mismos c\u00e1lculos pueden orientar combinaciones de hojas de grafeno y otros semiconductores de capa at\u00f3mica \u00fanica. \u201cHicimos un transistor, pero podr\u00edamos crear una c\u00e9lula solar cuyos electrones, excitados por la luz del Sol, se trasladar\u00edan casi sin perder energ\u00eda de la capa semiconductora a la de grafeno\u201d, dice Padilha. \u201cExiste una gran apuesta en la combinaci\u00f3n de materiales bidimensionales como \u00e9stos para producir estructuras con nuevas propiedades\u201d, concluye Jos\u00e9 Roque.<\/p>\n

Proyecto<\/strong>
\nPropiedades electr\u00f3nicas, magn\u00e9ticas y de transporte en nanoestructuras (n\u00ba 2010\/16202-3<\/a>); Modalidad<\/strong> Proyecto Tem\u00e1tico; Investigador<\/strong> responsable<\/strong> Adalberto Fazzio (IF-USP); Inversi\u00f3n<\/strong> R$ 1.327.201,88 (FAPESP \u2013 para todo el proyecto).<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos
\n<\/em>PADILHA, J. E. et al<\/em>. Heterostructure of phosphorene and graphene: Tuning the schottky barrier and doping by electrostatic gating<\/a>. Physical Review Letters<\/strong>. v. 114. 12 feb. 2015.
\nAVSAR, A. et al<\/em>. Air-stable transport in graphene-contacted, fully encapsulated ultrathin black phosphorus-based field-effect transistors<\/a>. ACS Nano<\/strong>. v. 9, n. 4. 13 mar. 2015.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Grupo internacional produce un transistor de grafeno y fosforeno","protected":false},"author":14,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[304],"coauthors":[103],"class_list":["post-205384","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es","tag-fisica-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/205384","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/14"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=205384"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/205384\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=205384"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=205384"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=205384"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=205384"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}