Hace poco más de un mes, un grupo de investigadores de la NASA, en conjunto con el National Nanofab Center, en Corea, sorprendieron a propios y a extraños con el anuncio de sus trabajos sobre un nuevo “transistor híbrido” que combinaba las propiedades de los clásicos semiconductores con las mejores propiedades de las válvulas termoiónicas (o de vacío). Estos “transistores de vacío” eran dispositivos que podían superar las más altas frecuencias conocidas y utilizadas hasta el momento en equipos de radio. Como no podía ser de otra manera, la extraordinaria idea no pasó desapercibida por la comunidad científica y un equipo de la Universidad de Pittsburgh acaba de lanzar su propia versión de estos transistores de vacío que parecen haber llegado para quedarse. De pie, señores: el grafeno entra en escena.
Un breve repaso a la teoría
Haciendo un breve repaso por la teoría, que llama la atención sobre la reutilización de técnicas abandonadas hace años, podemos mencionar que los científicos han reflotado la lógica y comprobada tesis de que no existe ningún medio que represente una vía libre, sin retardos, donde los electrones puedan trabajar a su máxima velocidad (estimada). Es decir, cualquier medio sólido o gaseoso siempre representará un “freno” a la libre circulación electrónica, y solo en el vacío es posible alcanzar la máxima velocidad estimada, que se encuentra en el límite de la velocidad de la luz. Dejando de lado las controversias que esta investigación acarrea, la aplicación de este método es posible desde que se conocieron en el ámbito científico las tensiones de trabajo necesarias para alcanzar una corriente útil o para evitar el sobrecalentamiento de los semiconductores involucrados en la experiencia. Esta alta temperatura era ocasionada por la gran velocidad electrónica y las colisiones que sufrían las capas de semiconductor “receptoras”, encargadas de absorber la corriente electrónica que provenía desde la capa de vacío incrustada en el transistor. Para poder evitar este inconveniente y alcanzar un tipo de transistor eficaz y funcional, fue necesario replantear la estructura encargada de “capturar” los electrones emitidos desde el metafórico “cátodo emisor”.
El equipo de Pittsburgh y el grafeno
En un trabajo conjunto, Siwapon Srisonphan, Yun Suk Jung y Hong Koo Kim descubrieron que los electrones atrapados dentro de la interfaz de un semiconductor, como puede ser una capa de óxido o de metal, pueden extraerse de ella fácilmente y movilizarse hacia el vacío. A esto se suma la llamada “repulsión de Coulomb” (la interacción entre partículas con igual carga eléctrica), que permite que los electrones sean fácilmente "extraídos" desde el silicio. Los electrones capturados de este modo forman un grupo de cargas llamado “gas electrónico bidimensional”. Una vez que se encuentran en el vacío, estos electrones viajan a través de un canal nanométrico sin ninguna clase de colisión o dispersión que pueda frenar o quitar velocidad electrónica a su desplazamiento. Para capturar estos electrones después de su viaje por el vacío, los científicos utilizaron una malla de grafeno, un material que ofrece un medio para la "captura de electrones" mucho más rápida y efectiva que cualquier otro material utilizado en este tipo de dispositivos. Este es el gran avance alcanzado en tan sólo dos meses desde que se conocieran este tipo de ensayos.
Compatibilidad y próximos pasos
"La emisión de electrones dentro de los canales de vacío utilizando este sistema, puede permitir la creación de una clase completamente nueva de transistores de alta velocidad y de bajos valores de alimentación y disipación de potencia", explicó el Dr. Kim.
La ventaja en la utilización de los transistores de vacío indica que, en teoría, su aplicación será totalmente compatible con la electrónica de estado sólido que conocemos y utilizamos en la actualidad.
El siguiente paso será no menos complejo y comprenderá la aplicación práctica de estos modelos teóricos mejorados, basados en grafeno y (según sus desarrolladores) altamente más eficientes que los ensayados por la NASA y el equipo científico de Corea.
Nuevamente el grafeno aparece como elemento clave para resolver situaciones complejas dentro de la física electrónica.
El trabajo de investigación llamado “Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor with a vacuum cannel” fue presentado por los investigadores Siwapon Srisonphan, Yun Suk Jung y Hong Koo Kim para su publicación en línea en Nature Nanotechnology.
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