Imagen de microscopio electrónico de barrido (arriba) muestra un circuito de nanocables programables. Esta imagen coloreada de microscopio electrónico de barrido (abajo) muestra un mosaico de procesadores de nanocables superpuestos a la arquitectura utilizada para diseñar el circuito.Fuente: Grupo Lieber, Universidad de Harvard
Unos transistores de nanocables podrían funcionar dentro de biosensores o de sensores ambientales microscópicos.
Un equipo dirigido por Charles Lieber, profesor de química en Harvard, y Shamik Das, ingeniero jefe en el grupo de nanosistemas de MITRE, ha diseñado y construido un circuito reprogramable de transistores de nanocables. Varias placas interconectadas consistirían en el primer ordenador de nanocables escalable, afirma Lieber. Este dispositivo podría funcionar en el interior de biosensores implantables microscópicos y de sensores ambientales o estructurales de ultra bajo consumo de energía, señalan los investigadores.
Durante más de una década, los nanocables y nanotubos han arrastrado la promesa de reducir la informática a una escala imposible de lograr con los materiales semiconductores tradicionales. Sin embargo, también han existido dudas sobre la viabilidad de los nanocables y nanotubos como sistemas de computación reales. "Ha habido un progreso limitado en términos de aumentar la complejidad de los circuitos", afirma Lieber.
Un gran problema ha sido la reproducción de las estructuras hechas de nanocables y nanotubos de forma fiable. Cada estructura tiene que ser prácticamente idéntica a las otras para garantizar que un circuito funciona de la forma que ha sido diseñado. Sin embargo, actualmente, señala Lieber, algunos de estos problemas están siendo resueltos. Su grupo, en particular, ha desarrollado nuevas maneras de producir nanocables idénticos en grandes cantidades. Gracias a esto, él y sus colaboradores de MITRE han sido capaces de diseñar una arquitectura de circuitos de nanocables que tiene el potencial de ser escalable. Los detalles se publican en la última edición de la revista Nature.
Los chips tradicionales se fabrican con un enfoque llamado de arriba hacia abajo en el que un diseño es esencialmente expuesto como si se tratara de una fotografía sobre una oblea de material semiconductor, y el exceso de material se retira mediante técnicas de grabado. Por el contrario, para producir los circuitos de nanocables se utiliza un enfoque de abajo hacia arriba. Esto significa que éstos pueden ser depositados en diversos tipos de superficies, y también pueden ser más compactos. "¿Queremos sistemas [de sensores] que sean físicamente pequeños", señala James Klemic, director del laboratorio de nanotecnología de MITRE. "En este momento, la única opción es utilizar un chip que reduzca el tamaño del sensor."
Para fabricar el nuevo circuito de nanocables, los investigadores depositaron líneas de nanocables, constituidos por una base de germanio y un envoltorio de silicio, sobre un substrato y las cruzaron con líneas de electrodos metálicos creando una cuadrícula. Los puntos en los que los nanocables y los electrodos se cruzan actúan como un transistor que se puede activar y desactivar de forma independiente. Los investigadores fabricaron una sola placa, con una superficie de 960 micrones cuadrados que contenía 496 transistores funcionales. El sistema está diseñado para que varias placas se puedan conectar entre ellas de modo que los transistores, en conjunto, podrían actuar como puertas lógicas complejas para el procesamiento o la memoria.
Los transistores de nanocables mantienen su estado—encendido o apagado—independientemente del estado del aparato. Esto les aporta la capacidad de encendido instantáneo, importante para los sensores de baja potencia que podrían necesitar recoger datos de manera esporádica y requerir conservar la energía.
Según Das, los circuitos también podrían ser hasta 10 veces más energéticamente eficientes que los circuitos de materiales tradicionales. Una de las razones de esta eficiencia se basa en las propiedades eléctricas de los nanocables, que, a diferencia de los transistores tradicionales, no permiten el escape de corriente eléctrica. Otra razón es que el diseño del circuito utiliza conexiones capacitivas en lugar de resistivas, que son menos eficientes. "No se quema una gran cantidad de energía en superar resistencias", explica Das.
"Este es un hito significativo en varios frentes", afirma André DeHon, profesor de ingeniería eléctrica y de sistemas de la Universidad de Pennsylvania. Los transistores reprogramables hechos de nanocables son "la piedra angular que yo estaba esperando", comenta él.
El trabajo de los investigadores representa "un salto adelante en la complejidad y la función de los circuitos construidos de abajo hacia arriba", señala Zhong Lin Wang, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. Esto demuestra que el método de fabricación de abajo hacia arriba "puede producir nanoprocesadores y otros sistemas integrados en el futuro", indica él.
Aún queda trabajo por hacer para que los procesadores de nanocables sean prácticas para el uso en sistemas electrónicos, señala Lieber. Su grupo tiene que demostrar el desarrollo de una placa con miles de transistores en ella, muchos más que los 496 transistores que su grupo ha logrado hasta el momento. Además, es necesario ampliar los sistemas a múltiples placas. Los investigadores están en proceso de encontrar la mejor forma de conectar un sistema de 16 placas. Lieber afirma que, siendo realistas, la fabricación de estos circuitos todavía se encuentra a varios años de investigación.
Un equipo dirigido por Charles Lieber, profesor de química en Harvard, y Shamik Das, ingeniero jefe en el grupo de nanosistemas de MITRE, ha diseñado y construido un circuito reprogramable de transistores de nanocables. Varias placas interconectadas consistirían en el primer ordenador de nanocables escalable, afirma Lieber. Este dispositivo podría funcionar en el interior de biosensores implantables microscópicos y de sensores ambientales o estructurales de ultra bajo consumo de energía, señalan los investigadores.
Durante más de una década, los nanocables y nanotubos han arrastrado la promesa de reducir la informática a una escala imposible de lograr con los materiales semiconductores tradicionales. Sin embargo, también han existido dudas sobre la viabilidad de los nanocables y nanotubos como sistemas de computación reales. "Ha habido un progreso limitado en términos de aumentar la complejidad de los circuitos", afirma Lieber.
Un gran problema ha sido la reproducción de las estructuras hechas de nanocables y nanotubos de forma fiable. Cada estructura tiene que ser prácticamente idéntica a las otras para garantizar que un circuito funciona de la forma que ha sido diseñado. Sin embargo, actualmente, señala Lieber, algunos de estos problemas están siendo resueltos. Su grupo, en particular, ha desarrollado nuevas maneras de producir nanocables idénticos en grandes cantidades. Gracias a esto, él y sus colaboradores de MITRE han sido capaces de diseñar una arquitectura de circuitos de nanocables que tiene el potencial de ser escalable. Los detalles se publican en la última edición de la revista Nature.
Los chips tradicionales se fabrican con un enfoque llamado de arriba hacia abajo en el que un diseño es esencialmente expuesto como si se tratara de una fotografía sobre una oblea de material semiconductor, y el exceso de material se retira mediante técnicas de grabado. Por el contrario, para producir los circuitos de nanocables se utiliza un enfoque de abajo hacia arriba. Esto significa que éstos pueden ser depositados en diversos tipos de superficies, y también pueden ser más compactos. "¿Queremos sistemas [de sensores] que sean físicamente pequeños", señala James Klemic, director del laboratorio de nanotecnología de MITRE. "En este momento, la única opción es utilizar un chip que reduzca el tamaño del sensor."
Para fabricar el nuevo circuito de nanocables, los investigadores depositaron líneas de nanocables, constituidos por una base de germanio y un envoltorio de silicio, sobre un substrato y las cruzaron con líneas de electrodos metálicos creando una cuadrícula. Los puntos en los que los nanocables y los electrodos se cruzan actúan como un transistor que se puede activar y desactivar de forma independiente. Los investigadores fabricaron una sola placa, con una superficie de 960 micrones cuadrados que contenía 496 transistores funcionales. El sistema está diseñado para que varias placas se puedan conectar entre ellas de modo que los transistores, en conjunto, podrían actuar como puertas lógicas complejas para el procesamiento o la memoria.
Los transistores de nanocables mantienen su estado—encendido o apagado—independientemente del estado del aparato. Esto les aporta la capacidad de encendido instantáneo, importante para los sensores de baja potencia que podrían necesitar recoger datos de manera esporádica y requerir conservar la energía.
Según Das, los circuitos también podrían ser hasta 10 veces más energéticamente eficientes que los circuitos de materiales tradicionales. Una de las razones de esta eficiencia se basa en las propiedades eléctricas de los nanocables, que, a diferencia de los transistores tradicionales, no permiten el escape de corriente eléctrica. Otra razón es que el diseño del circuito utiliza conexiones capacitivas en lugar de resistivas, que son menos eficientes. "No se quema una gran cantidad de energía en superar resistencias", explica Das.
"Este es un hito significativo en varios frentes", afirma André DeHon, profesor de ingeniería eléctrica y de sistemas de la Universidad de Pennsylvania. Los transistores reprogramables hechos de nanocables son "la piedra angular que yo estaba esperando", comenta él.
El trabajo de los investigadores representa "un salto adelante en la complejidad y la función de los circuitos construidos de abajo hacia arriba", señala Zhong Lin Wang, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. Esto demuestra que el método de fabricación de abajo hacia arriba "puede producir nanoprocesadores y otros sistemas integrados en el futuro", indica él.
Aún queda trabajo por hacer para que los procesadores de nanocables sean prácticas para el uso en sistemas electrónicos, señala Lieber. Su grupo tiene que demostrar el desarrollo de una placa con miles de transistores en ella, muchos más que los 496 transistores que su grupo ha logrado hasta el momento. Además, es necesario ampliar los sistemas a múltiples placas. Los investigadores están en proceso de encontrar la mejor forma de conectar un sistema de 16 placas. Lieber afirma que, siendo realistas, la fabricación de estos circuitos todavía se encuentra a varios años de investigación.
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