Nanoelectrónica

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La nanoelectrónica se refiere al uso de la 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 mecánicas cuánticas deben estudiarse en profundidad. 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 (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor, o transistor MOS) de silicio ya están dentro de este régimen, incluidos los nodos CMOS (MOS complementarios) de 22 nanómetros y las generaciones posteriores de FinFET (transistor de efecto de campo de aleta) de 14 nm , 10 nm y 7 nm . 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 estaban atravesando un proceso continuo de reducción de escala, una observación que luego se codificó como la 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 de tecnología no representa directamente el tamaño mínimo de la característica. 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 .

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El volumen de un objeto disminuye como la tercera potencia de sus dimensiones lineales, pero el área de la superficie solo disminuye como su segunda potencia. Este principio algo sutil e inevitable tiene ramificaciones significativas. 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 área de superficie. Para un taladro de tamaño normal, la potencia del dispositivo es suficiente para superar fácilmente cualquier fricción. Sin embargo, reducir su longitud por un factor de 1000, por ejemplo, disminuye su potencia en 1000 ³ (un factor de mil millones) mientras que reduce la fricción solo en 1000 ² (un factor de solo 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, mientras que los circuitos electrónicos integrados superminiatura son completamente funcionales, la misma tecnología no puede utilizarse para fabricar dispositivos mecánicos que funcionen más allá de las escalas en las que las fuerzas de fricción empiezan a superar la potencia disponible. Así que, aunque se puedan ver microfotografías de engranajes de silicio delicadamente grabados, estos dispositivos son actualmente poco más que curiosidades con aplicaciones limitadas en el mundo real, por ejemplo, en espejos y obturadores móviles. ^[2] La tensión superficial aumenta de la misma manera, lo que magnifica la tendencia de los objetos muy pequeños a pegarse entre sí. Esto podría hacer que cualquier tipo de "microfábrica" ​​fuera poco práctica: incluso si los brazos y las manos robóticos pudieran reducirse en escala, cualquier cosa que recojan tenderá a ser imposible de soltar. Dicho lo anterior, la evolución molecular ha dado lugar a cilios , flagelos , fibras musculares y motores rotatorios que funcionan en entornos acuosos, todos a escala nanométrica. Estas máquinas explotan las mayores fuerzas de fricción que se encuentran en la micro o nanoescala. A diferencia de un remo o una hélice, que dependen de fuerzas de fricción normales (las fuerzas de fricción perpendiculares a la superficie) para lograr la propulsión, los cilios desarrollan movimiento a partir de la resistencia exagerada o las fuerzas laminares (fuerzas de fricción paralelas a la superficie) presentes en las dimensiones micro y nano. Para construir "máquinas" significativas a escala nanométrica, es necesario tener en cuenta las fuerzas relevantes. Nos enfrentamos al desarrollo y diseño de máquinas intrínsecamente pertinentes, en lugar de simples reproducciones de máquinas macroscópicas.

Por lo tanto, es necesario evaluar exhaustivamente todas las cuestiones de escala al evaluar la nanotecnología para aplicaciones prácticas.

Por ejemplo, los transistores de electrones, que implican el 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. Dichos SiNW se pueden fabricar por oxidación térmica en grandes cantidades para producir nanocables con un espesor controlable.

Además de ser pequeños y permitir que se incluyan 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 electrón / hueco simétrica. ^[5]

Además, las nanopartículas pueden utilizarse como puntos cuánticos .

Los dispositivos electrónicos de una sola molécula son objeto de una amplia investigación. 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 ser muy útil para la computación reconfigurable e incluso podría reemplazar por completo la tecnología FPGA actual .

La electrónica molecular ^[6] es una tecnología en desarrollo que brinda esperanzas para los futuros sistemas electrónicos a escala atómica. Una aplicación prometedora de la electrónica molecular fue propuesta por el investigador de IBM Ari Aviram y el químico teórico Mark Ratner en sus artículos de 1974 y 1988 Moléculas para memoria, lógica y amplificación (véase rectificador unimolecular ). ^{[7] [8]}

Se han estudiado muchas estructuras de nanocables como candidatos 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 escala nanométrica y tiene como objetivo desarrollar dispositivos que aprovechen este comportamiento.

Los procesos de producción de alta tecnología actuales se basan en estrategias tradicionales de arriba hacia abajo, en las que la nanotecnología ya se ha introducido de forma silenciosa. La escala de longitud crítica de los circuitos integrados ya se encuentra en la nanoescala (50  nm y menos) en relación con la longitud de compuerta de los transistores en las CPU o los dispositivos DRAM .

La nanoelectrónica promete hacer que los procesadores de ordenador sean más potentes que lo que es posible con las técnicas de fabricación de semiconductores convencionales . 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 . Se han fabricado transistores de efecto de campo utilizando tanto nanotubos de carbono semiconductores ^{[10] como con} nanocables semiconductores heteroestructurados (SiNW). ^[11]

Los diseños de memoria electrónica en el pasado se basaban en gran medida en la formación de transistores. Sin embargo, la investigación sobre electrónica basada en interruptores de barra cruzada ha ofrecido una alternativa que utiliza interconexiones reconfigurables entre conjuntos de cableado verticales y horizontales para crear memorias de densidad ultraalta. Dos líderes en este campo son Nantero , que ha desarrollado una memoria de barra cruzada basada en nanotubos de carbono llamada Nano-RAM, y Hewlett-Packard, que ha propuesto el uso de material de memristores como un futuro reemplazo de la memoria Flash. ^{[ cita requerida ]}

Un ejemplo de estos nuevos dispositivos se basa en la espintrónica . La dependencia de la resistencia de un material (debido al espín de los electrones) de un campo externo se denomina magnetorresistencia . Este efecto puede amplificarse significativamente (GMR - Giant Magneto-Resistance) para objetos de tamaño nanométrico, por ejemplo, cuando dos capas ferromagnéticas están separadas por una capa no magnética, que tiene varios nanómetros de espesor (por ejemplo, Co-Cu-Co). El efecto GMR ha llevado a un fuerte aumento en la densidad de almacenamiento de datos de los discos duros y ha hecho posible el rango de gigabytes. La llamada magnetorresistencia de tunelización (TMR) es muy similar a la GMR y se basa en la tunelización dependiente del espín de los electrones a través de capas ferromagnéticas adyacentes. Tanto los efectos GMR como TMR se pueden utilizar para crear una memoria principal no volátil para computadoras, como la llamada memoria de acceso aleatorio magnético o MRAM . ^{[ cita requerida ]}

En la tecnología de las comunicaciones modernas, los dispositivos eléctricos analógicos tradicionales se sustituyen cada vez más 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 requerida ]} Los cristales fotónicos son materiales con una variación periódica del índice de refracción con una constante reticular que es la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada. Ofrecen un intervalo de banda 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 escala nanométrica, que pueden utilizarse, entre otras muchas cosas, para la construcción de láseres. La ventaja de un láser de puntos cuánticos sobre el láser semiconductor tradicional es que su 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 se puede lograr 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, se pueden utilizar como emisores de campo con una eficiencia extremadamente alta para pantallas de emisión de campo (FED). El principio de funcionamiento se asemeja al del tubo de rayos catódicos , pero en una escala de longitud mucho menor. ^{[ cita requerida ]}

Los métodos informáticos completamente nuevos aprovechan las leyes de la mecánica cuántica para crear ordenadores cuánticos innovadores que permiten el uso de algoritmos cuánticos rápidos. El ordenador cuántico tiene un espacio de memoria de bits cuánticos denominado "qubit" para realizar varios cálculos al mismo tiempo. En los dispositivos nanoelectrónicos, el qubit está codificado por el estado cuántico del espín de uno o más electrones. El espín está confinado por un punto cuántico semiconductor o un dopante. ^[12]

Se han desarrollado nanoradios estructurados alrededor de 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 que las que son posibles con las células solares de silicio planas 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 hay investigaciones sobre la producción de energía para dispositivos que funcionarían in vivo , llamados bio-nano generadores. Un bio-nano generador es un dispositivo electroquímico a escala nanométrica , como una pila de combustible o una celda galvánica , pero que obtiene energía de la glucosa en sangre en un cuerpo vivo, de forma muy similar a cómo el cuerpo genera energía a partir de los alimentos . Para lograr el efecto, se utiliza una enzima que es capaz de despojar a la glucosa de sus electrones , liberándolos para su uso en dispositivos eléctricos. El cuerpo de una persona promedio podría, teóricamente, generar 100 vatios de electricidad (alrededor de 2000 calorías de alimentos por día) utilizando un bio-nano generador. ^[15] Sin embargo, esta estimación solo es cierta si todos los alimentos se convirtieran 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 integrados en el cuerpo (como marcapasos ) o nanorobots alimentados con azúcar . Gran parte de la investigación realizada sobre generadores bio-nano aún es experimental, y el Laboratorio de Investigación en Nanotecnología de Panasonic está 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 investigación biológica básica. ^[21] Estos dispositivos se denominan nanosensores . Tal miniaturización en nanoelectrónica hacia la detección proteómica in vivo debería permitir nuevos enfoques para el monitoreo de la salud, la vigilancia y la tecnología de defensa. ^{[22] [23] [24]}

• Bennett, Herbert S.; Andres, Howard; Pellegrino, Joan; Kwok, Winnie; Fabricius, Norbert; Chapin, J. Thomas (marzo-abril de 2009). "Prioridades de las normas y mediciones para acelerar las innovaciones en nanoelectrotecnologías: análisis de la encuesta NIST-Energetics-IEC TC 113" (PDF) . Revista de investigación del Instituto Nacional de Normas y Tecnología . 114 (2): 99–135. doi :10.6028/jres.114.008. PMC  4648624 . PMID  27504216. Archivado desde el original (PDF) el 2010-05-05.
• Despotuli, Alexander; Andreeva, Alexandra (agosto-octubre de 2009). "Una breve revisión sobre nanoelectrónica de subvoltaje profundo y tecnologías relacionadas". Revista internacional de nanociencia . 8 (4–5): 389–402. Código Bibliográfico :2009IJN....08..389D. doi :10.1142/S0219581X09006328.
• Veendrick, HJM (2011). Bits on Chips . Bits on Chips. pág. 253. ISBN 978-1-61627-947-9.https://openlibrary.org/works/OL15759799W/Bits_on_Chips/
• Curso en línea sobre fundamentos de electrónica impartido por Supriyo Datta (2008)
• Lecciones de nanoelectrónica: una nueva perspectiva sobre el transporte (en dos partes) (segunda edición) de Supriyo Datta (2018)

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Nanoelectrónica .

• Taller sobre nanoelectrónica de silicio del IEEE
• Instituto Virtual de Electrónica de Espín
• Sitio sobre electrónica de nanotubos de carbono de pared simple a escala nanométrica - nanoelectrónica
• Sitio sobre nanoelectrónica e investigación avanzada en VLSI
• Sitio web de la unidad de nanoelectrónica de la Comisión Europea, DG INFSO
• Nanoelectrónica en el sitio web UnderstandingNano
• Nanoelectrónica - PhysOrg