La nanoelectrónica se refiere al uso de nanotecnología en componentes electrónicos . El término cubre un conjunto diverso de dispositivos y materiales, con la característica común de que son tan pequeños que las interacciones interatómicas y las propiedades de la mecánica cuántica deben estudiarse exhaustivamente. Algunos de estos candidatos incluyen: electrónica híbrida molecular/ semiconductora , nanotubos / nanocables unidimensionales (por ejemplo, nanocables de silicio o nanotubos de carbono ) o electrónica molecular avanzada .
Los dispositivos nanoelectrónicos tienen dimensiones críticas con un rango de tamaño entre 1 nm y 100 nm. [1] Las generaciones recientes de tecnología MOSFET de silicio (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico o transistor MOS) ya están dentro de este régimen, incluidos los nodos CMOS (MOS complementarios) de 22 nanómetros y los siguientes FinFET de 14 nm , 10 nm y 7 nm ( transistor de efecto de campo de aleta) generaciones. La nanoelectrónica a veces se considera una tecnología disruptiva porque los candidatos actuales son significativamente diferentes de los transistores tradicionales .
En 1965, Gordon Moore observó que los transistores de silicio experimentaban un proceso continuo de reducción de escala, observación que más tarde se codificó como ley de Moore . Desde su observación, los tamaños mínimos de las características de los transistores han disminuido de 10 micrómetros al rango de 10 nm a partir de 2019. Tenga en cuenta que el nodo tecnológico no representa directamente el tamaño mínimo de las características. El campo de la nanoelectrónica tiene como objetivo permitir la realización continua de esta ley mediante el uso de nuevos métodos y materiales para construir dispositivos electrónicos con tamaños de características en la nanoescala .
El volumen de un objeto disminuye con la tercera potencia de sus dimensiones lineales, pero el área de la superficie solo disminuye con la segunda potencia. Este principio algo sutil e inevitable tiene importantes ramificaciones. Por ejemplo, la potencia de un taladro (o cualquier otra máquina) es proporcional al volumen, mientras que la fricción de los cojinetes y engranajes del taladro es proporcional a su superficie. Para un taladro de tamaño normal, la potencia del dispositivo es suficiente para superar cómodamente cualquier fricción. Sin embargo, reducir su longitud en un factor de 1000, por ejemplo, disminuye su potencia en 1000 3 (un factor de mil millones) mientras que reduce la fricción en sólo 1000 2 (un factor de sólo un millón). Proporcionalmente tiene 1000 veces menos potencia por unidad de fricción que el taladro original. Si la relación fricción-potencia original era, digamos, 1%, eso implica que el taladro más pequeño tendrá 10 veces más fricción que potencia; el taladro es inútil.
Por esta razón, si bien los circuitos integrados electrónicos superminiatura son completamente funcionales, la misma tecnología no se puede utilizar para fabricar dispositivos mecánicos que funcionen más allá de las escalas donde las fuerzas de fricción comienzan a exceder la potencia disponible. Así que, aunque se puedan ver microfotografías de engranajes de silicio delicadamente grabados, actualmente estos dispositivos son poco más que curiosidades con aplicaciones limitadas en el mundo real, por ejemplo, en espejos y contraventanas móviles. [2] La tensión superficial aumenta prácticamente de la misma manera, magnificando así la tendencia de los objetos muy pequeños a pegarse entre sí. Esto posiblemente podría hacer que cualquier tipo de "microfábrica" fuera poco práctica: incluso si los brazos y las manos robóticas pudieran reducirse, cualquier cosa que recojan será imposible de dejar. Dicho lo anterior, la evolución molecular ha dado como resultado el funcionamiento de cilios , flagelos , fibras musculares y motores rotatorios en ambientes acuosos, todo a nanoescala. Estas máquinas aprovechan el aumento de las fuerzas de fricción que se encuentran en la micro o nanoescala. A diferencia de una paleta o una hélice que depende de las fuerzas de fricción normales (las fuerzas de fricción perpendiculares a la superficie) para lograr la propulsión, los cilios desarrollan movimiento a partir del arrastre exagerado o fuerzas laminares (fuerzas de fricción paralelas a la superficie) presentes en dimensiones micro y nano. Para construir "máquinas" significativas a nanoescala, es necesario considerar las fuerzas relevantes. Nos enfrentamos al desarrollo y diseño de máquinas intrínsecamente pertinentes y no a simples reproducciones de máquinas macroscópicas.
Por lo tanto, todas las cuestiones de escala deben evaluarse minuciosamente al evaluar la nanotecnología para aplicaciones prácticas.
Por ejemplo, los transistores de electrones, que implican un funcionamiento del transistor basado en un solo electrón. Los sistemas nanoelectromecánicos también entran en esta categoría. La nanofabricación se puede utilizar para construir matrices paralelas ultradensas de nanocables , como una alternativa a la síntesis de nanocables individualmente. [3] [4] De particular importancia en este campo, los nanocables de silicio se están estudiando cada vez más para diversas aplicaciones en nanoelectrónica, conversión y almacenamiento de energía. Estos SiNW se pueden fabricar mediante oxidación térmica en grandes cantidades para producir nanocables con un espesor controlable.
Además de ser pequeño y permitir empaquetar más transistores en un solo chip, la estructura uniforme y simétrica de los nanocables y/o nanotubos permite una mayor movilidad de los electrones (movimiento más rápido de los electrones en el material), una constante dieléctrica más alta (frecuencia más rápida) y una característica simétrica electrón / hueco . [5]
Además, las nanopartículas se pueden utilizar como puntos cuánticos .
Los dispositivos electrónicos de una sola molécula se investigan exhaustivamente. Estos esquemas harían un uso intensivo del autoensamblaje molecular , diseñando los componentes del dispositivo para construir una estructura más grande o incluso un sistema completo por sí solos. Esto puede resultar muy útil para la informática reconfigurable e incluso puede sustituir por completo la tecnología FPGA actual .
La electrónica molecular [6] es una tecnología en desarrollo que trae esperanzas para futuros sistemas electrónicos a escala atómica. El investigador de IBM Ari Aviram y el químico teórico Mark Ratner propusieron una aplicación prometedora de la electrónica molecular en sus artículos de 1974 y 1988 Molecules for Memory, Logic and Amplification (ver rectificador unimolecular ). [7] [8]
Se han estudiado muchas estructuras de nanocables como candidatas para interconectar dispositivos nanoelectrónicos: nanotubos de carbono y otros materiales, cadenas de átomos de metal , cadenas de átomos de carbono de cumuleno o poliino , [9] y muchos polímeros como los politiofenos .
La nanoiónica estudia el transporte de iones en lugar de electrones en sistemas a nanoescala.
La nanofotónica estudia el comportamiento de la luz a nanoescala y tiene como objetivo desarrollar dispositivos que aprovechen este comportamiento.
Los actuales procesos de producción de alta tecnología se basan en estrategias tradicionales de arriba hacia abajo, en las que la nanotecnología ya se ha introducido silenciosamente. La escala de longitud crítica de los circuitos integrados ya se encuentra en la nanoescala (50 nm y menos) con respecto a la longitud de la puerta de los transistores en las CPU o dispositivos DRAM .
La nanoelectrónica promete hacer que los procesadores de computadora sean más potentes de lo que son posibles con las técnicas convencionales de fabricación de semiconductores . Actualmente se están investigando varios enfoques, incluidas nuevas formas de nanolitografía , así como el uso de nanomateriales como nanocables o moléculas pequeñas en lugar de los componentes CMOS tradicionales . Los transistores de efecto de campo se han fabricado utilizando nanotubos de carbono semiconductores [10] y nanocables semiconductores heteroestructurados (SiNW). [11]
En el pasado, los diseños de memorias electrónicas se basaban en gran medida en la formación de transistores. Sin embargo, la investigación sobre electrónica basada en interruptores de barra transversal ha ofrecido una alternativa que utiliza interconexiones reconfigurables entre conjuntos de cableado vertical y horizontal para crear memorias de densidad ultra alta. Dos líderes en esta área son Nantero , que ha desarrollado una memoria de barra transversal basada en nanotubos de carbono llamada Nano-RAM , y Hewlett-Packard , que ha propuesto el uso de material memristor como futuro reemplazo de la memoria Flash. [ cita necesaria ]
Un ejemplo de este tipo de dispositivos novedosos se basa en la espintrónica . La dependencia de la resistencia de un material (debido al espín de los electrones) de un campo externo se llama magnetorresistencia . Este efecto puede amplificarse significativamente (GMR - Giant Magneto-Resistance) en objetos nanométricos, por ejemplo cuando dos capas ferromagnéticas están separadas por una capa no magnética de varios nanómetros de espesor (p. ej. Co-Cu-Co). El efecto GMR ha provocado un fuerte aumento de la densidad de almacenamiento de datos en los discos duros y ha hecho posible el rango de gigabytes. La llamada magnetorresistencia de túnel (TMR) es muy similar a la GMR y se basa en la tunelización de electrones dependiente del espín a través de capas ferromagnéticas adyacentes. Tanto el efecto GMR como el TMR se pueden utilizar para crear una memoria principal no volátil para ordenadores, como la llamada memoria magnética de acceso aleatorio o MRAM . [ cita necesaria ]
En la tecnología de comunicación moderna, los dispositivos eléctricos analógicos tradicionales son cada vez más reemplazados por dispositivos ópticos u optoelectrónicos debido a su enorme ancho de banda y capacidad, respectivamente. Dos ejemplos prometedores son los cristales fotónicos y los puntos cuánticos . [ cita necesaria ] Los cristales fotónicos son materiales con una variación periódica en el índice de refracción con una constante de red que es la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada. Ofrecen una banda prohibida seleccionable para la propagación de una determinada longitud de onda, por lo que se parecen a un semiconductor, pero para luz o fotones en lugar de electrones . Los puntos cuánticos son objetos a nanoescala que pueden utilizarse, entre muchas otras cosas, para la construcción de láseres. La ventaja de un láser de punto cuántico sobre el láser semiconductor tradicional es que la longitud de onda emitida depende del diámetro del punto. Los láseres de puntos cuánticos son más baratos y ofrecen una mayor calidad del haz que los diodos láser convencionales.
La producción de pantallas con bajo consumo de energía podría lograrse utilizando nanotubos de carbono (CNT) y/o nanocables de silicio . Estas nanoestructuras son conductoras de electricidad y, debido a su pequeño diámetro de varios nanómetros, pueden utilizarse como emisores de campo con una eficiencia extremadamente alta para visualizaciones de emisiones de campo (FED). El principio de funcionamiento se parece al del tubo de rayos catódicos , pero en una escala de longitud mucho menor. [ cita necesaria ]
Enfoques informáticos totalmente nuevos aprovechan las leyes de la mecánica cuántica para crear nuevos ordenadores cuánticos, que permiten el uso de algoritmos cuánticos rápidos. La computadora Quantum tiene un espacio de memoria de bits cuánticos denominado "Qubit" para varios cálculos al mismo tiempo. En los dispositivos nanoelectrónicos, el qubit está codificado por el estado cuántico del espín de uno o más electrones. Los espines están confinados por un punto cuántico semiconductor o por un dopante. [12]
Se han desarrollado nanoradios estructurados en torno a nanotubos de carbono . [13]
Se están realizando investigaciones para utilizar nanocables y otros materiales nanoestructurados con la esperanza de crear células solares más baratas y eficientes de lo que es posible con las células solares planas de silicio convencionales. [14] Se cree que la invención de una energía solar más eficiente tendría un gran efecto en la satisfacción de las necesidades energéticas mundiales.
También se investiga la producción de energía para dispositivos que funcionarían in vivo , llamados bionanogeneradores. Un bionanogenerador es un dispositivo electroquímico a nanoescala , como una pila de combustible o una pila galvánica , pero que extrae energía de la glucosa en sangre de un cuerpo vivo, de forma muy similar a como el cuerpo genera energía a partir de los alimentos . Para conseguir el efecto se utiliza una enzima que es capaz de despojar a la glucosa de sus electrones , liberándolos para su uso en dispositivos eléctricos. En teoría, el cuerpo de una persona promedio podría generar 100 vatios de electricidad (unas 2.000 calorías alimentarias al día) utilizando un bionanogenerador. [15] Sin embargo, esta estimación sólo es cierta si todos los alimentos se convirtieron en electricidad y el cuerpo humano necesita algo de energía de manera constante, por lo que la posible energía generada es probablemente mucho menor. La electricidad generada por un dispositivo de este tipo podría alimentar dispositivos incrustados en el cuerpo (como marcapasos ) o nanorobots alimentados con azúcar . Gran parte de la investigación realizada sobre bionanogeneradores sigue siendo experimental, y el Laboratorio de Investigación en Nanotecnología de Panasonic se encuentra entre los que están a la vanguardia.
Existe un gran interés en la construcción de dispositivos nanoelectrónicos [16] [17] [18] que puedan detectar las concentraciones de biomoléculas en tiempo real para su uso como diagnóstico médico, [19] entrando así en la categoría de nanomedicina . [20] Una línea de investigación paralela busca crear dispositivos nanoelectrónicos que puedan interactuar con células individuales para su uso en la investigación biológica básica. [21] Estos dispositivos se denominan nanosensores . Esta miniaturización de la nanoelectrónica hacia la detección proteómica in vivo debería permitir nuevos enfoques para la tecnología de defensa, vigilancia y seguimiento de la salud. [22] [23] [24]
