Unión p-n-p con «grafeno molecular»

Por Francisco R. Villatoro, el 26 febrero, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Physics • Science ✎ 20

Se suele llamar «grafeno» a todo material que propague cuasipartículas de tipo fermión de Dirac sin masa, como el grafeno. Se llama «grafeno molecular» al material formado por moléculas colocadas sobre un sustrato plano con una estructura de tipo hexagonal que permite la propagación de fermiones de Dirac sin masa. En 2012 se publicó en Nature el primer «grafeno molecular», formado por moléculas de CO (monóxido de carbono) adsorbidas sobre un sustrato plano de Cu(111) (cobre). En estos materiales se puede modular el nivel de Fermi (el dopaje efectivo) controlando la densidad de las moléculas, produciendo materiales de tipo n (con un exceso de portadores) y de tipo p (con un defecto de portadores). Así se puede obtener una unión p-n-p similar a un transistor de unión bipolar. Y muchos otros dispositivos que aprovechen fases electrónicas topológicas de posible interés aplicado.

En el «grafeno molecular» la distancia entre los átomos de carbono (C) de las moléculas de CO es de 19.23 Å. Esta distancia se reduce a 17.8 Å en el material de tipo p y ha 20.4 Å en el material de tipo n; este cambio en la distancia interatómica (o intermolecular) equivale a un dopado del «grafeno molecular». El dispositivo p-n-p fabricado es de alta calidad, ya que la interfaz entre las regiones p y n presenta un cambio abrupto en tan solo 20.4 Å. La densidad de portadores de tipo «hueco» en el material de tipo p es de 1.41 × 1012 /cm² y de portadores de tipo «electrón» en el material de tipo n es de 1.23 × 1012 /cm². El gran inconveniente de estos materiales es que requieren temperaturas criogénicas (todos los experimentos se realizaron a 4.2 K).

No había hablado de este tema hasta ahora, pues hay tantos temas de los que hablar y tan poco tiempo para hacerlo… Aún así, recomiendo el artículo pionero de Kenjiro K. Gomes, …, Francisco Guinea, Hari C. Manoharan, «Designer Dirac fermions and topological phases in molecular graphene,» Nature 483: 306–310 (15 Mar 2012), doi: 10.1038/nature10941; y también Leticia Tarruell, Daniel Greif, …, Tilman Esslinger, «Creating, moving and merging Dirac points with a Fermi gas in a tunable honeycomb lattice,» Nature 483: 302–305 (15 Mar 2012), doi: 10.1038/nature10871; así como, Jonathan Simon, Markus Greiner, «A duo of graphene mimics,» Nature 483: 282–284 (15 Mar 2012), doi: 10.1038/483282a.

El «grafeno molecular» se fabrica usando un microscopio de efecto túnel para mover una a una cada molécula de CO hasta colocarla en una posición precisa sobre el sustrato. Como te puedes imaginar se trata de un proceso cercano a la creación de una obra de arte por un artista plástico; por ello es difícil de automatizar. Y por ello, más allá de la belleza intrínseca del dispositivo final obtenido, los prototipos de estos dispositivos son obras de arte.

A la izquierda en esta figura se muestran diferentes fases del proceso de «creación» (fabricación) del dispositivo que se muestra arriba a la derecha. Se puede disfrutar de un vídeo en la información suplementaria (MOV). La estructura hexagonal para la distribución de carga electrónica emula la del grafeno y por ello aparece una estructura de bandas que presenta conos de Dirac (como se muestra abajo a la derecha).

Esta figura muestra un cono de Dirac a lo largo de uno de los lados de un hexágono en el «grafeno molecular». La medida de la relación de dispersión de las cuasipartículas muestra un comportamiento lineal excelente. En la región del vértice no se ha podido medir el punto exacto donde se encuentra el cono de Dirac por las limitaciones en la resolución del instrumento de medida usado.

Una de las grandes ventajas de los materiales análogos al grafeno es que permiten ajustar sus propiedades más allá de lo que se puede hacer con el grafeno. Por ejemplo, se pueden introducir defectos aprovechando que la distancia entre las moléculas de CO es de 19.2 Å (como en esta figura a la izquierda). Así se puede controlar el pseudoespín de los fermiones de Dirac, así como lograr que adquieran una masa efectiva (o sea, que se curve su estructura de bandas). El parecido entre la celda del grafeno y el benceno sugiere la introducción de varios defectos que provoquen una distorsión de tipo Kekulé en el material. Se ha bautizado como «Mercedes» a la configuración que se muestra en esta figura a la derecha (la razón tras el nombre resultará obvia a casi todos). En este material se propagan fermiones de Dirac con una masa emergente de 0.1 ± 0.02 me, una décima parte de la masa del electrón (por cierto, en el Cu(111) las cuasipartículas de tipo electrón tienen una masa efectiva de 0.38 me).

Un campo magnético deforma la estructura reticular del grafeno y, viceversa, una deformación mecánica de dicha estructura equivale a un campo pseudomagnético (donde el pseudoespín de las cuasipartículas se comporta como el espín en un material magnético). En el «grafeno molecular» esta deformación mecánica se puede simular moviendo los átomos uno a uno para recolocarlos en una posición adecuada. Partiendo de la estructura hexagonal mostrada en figura de abajo, a la izquierda, se puede deformar la estructura emulando el efecto de un campo pseudomagnético, como se observa en las figuras de abajo hacia arriba, a la izquierda. Así se logra observar el efecto de campos pseudomagnéticos de B = 0, 15, 30, 45 y 60 T (teslas).  Así se pueden estudiar niveles de Landau y el efecto Hall cuántico usando fermiones de Dirac.

Las posibilidades que ofrece el «grafeno molecular» son realmente increíbles. Por cierto, el físico teórico español Francisco Guinea (según consta en el artículo) se limitó al análisis teórico; sin lugar a dudas, para un teórico disponer de un sistema tan versátil como el «grafeno molecular» es un enorme placer.



20 Comentarios

  1. «Se suele llamar «grafeno» a todo material que propague cuasipartículas de tipo fermión de Dirac sin masa, como el grafeno»
    ¿«Semimetal de Dirac», quizás?

  2. Quisiera que me informasen de estos dispositivos electronicos pnp, cuales son sus caracteristicas de frecuencia, potencia ,figura de ruido, dimensiones, etc. Y si no para que sirven, tenemos componentes electronicos pnp suficientemente caracterizados y utilizados.. Nos van a dar algo nuevo?.

    1. Me parece que te confundes, abiliojoven, no se trata de un transistor bipolar al uso. Se trata de prototipos de investigación fabricados a mano (literalmente, una manufactura). Pides información de estos dispositivos como si estuvieran en el mercado. Quizás nunca lleguen al mercado.

  3. Hola Francis.

    ¿Es posible que una IA se entrene para manipular los átomos con el microscopio de efecto túnel, y casi al final que un ingeniero finalize los detalles a pulso?, con esto crear un CPU o memoria de grafeno mediante tal método que sea parcialmente comercializable.

    Yo tengo la idea que hacer un hueco en el silicio de la CPU e insertar un caché L1 a base de grafeno de gran tamaño como 512-1024KiB o mas por núcleo ayudaría entre las propuestas a paliar el límite de la puerta de silicio a la pseudo-ley de moore, como dijo Walter de Heer, el grafeno reemplazará al silicio en aquello que no puede, sencillamente es buscar que coexistan.

  4. Parece que los transistores bipolares, NPN y PNP moleculares, no tendrá tanto futuro como los CMOS, MOSFET unipolares, moleculares. ¿Veremos en el mercado, para electrónica de consumo doméstico y videoconsolas de juegos; alguno de estos transistores moleculares/monoatomicos: unipolar CMOS/MOSFET, bipolares NPN/PNP?

    ¿ Se pueden construir transistores moleculares bipolares, PNP y NPN, con hidrocarburos aromaticos policiclicos. ?

    1. Horch, como supongo que ya sabrás se han propuesto transistores de efecto de campo (FET) basados en hidrocarburos aromáticos policíclicos. Los transistores de unión bipolar (PNP o NPN) se basan en el dopado (N o P) de un semiconductor; se ha logrado dopar hidrocarburos aromáticos policíclicos con oxígeno, boro, nitrógeno, etc., dotándoles de propiedades semiconductoras que, en teoría, permitirían fabricar un transistor bipolar; sin embargo, hasta donde me consta no hay ningún prototipo experimental funcional.

      1. ¿ Donde puedo encontrar más información, sobre hidrocarburos aromáticos policíclicos con oxígeno, boro, nitrógeno, etc.,  con propiedades semiconductoreas? La molécula diciclofenilmetano, parece ser el candidato más simple para un transistor bipolar NPN / PNP. Se pueden sustituir los átomos extremos por N, y el central por B, por ejemplo; para crear un transistor NPN molecular. O los átomos extremos de C, por B y el central, por uno de N; dando lugar a un PNP.

        Un saludo. 🍻

  5. Jensen Huang, CEO de NVIDIA, ha comentado recientemente, que «La Ley de Moore está muerta. Una oblea de 12 pulgadas es hoy mucho más cara. La idea de que el chip va a bajar de precio es una historia del pasado» https://hardzone.es/noticias/tarjetas-graficas/aumento-precio-tarjetas-graficas-pc/ Pero si llegasen los transistores moleculares, de un solo atomo o de dos electrones, al mercado; la Ley de More podría seguir vigente, y el CEO de NVIDIA, estar equivocado.

    1. Horch, sobre el fin de la ley de Moore te recomiendo leer mi pieza «El futuro de la ley de Moore», LCMF, 10 feb 2016. Como puedes leer la ley de Moore era resultado de un acuerdo (hoja de ruta) entre los grandes fabricantes; se cambió la hoja de ruta (por minimizar el gasto energético) y la ley de Moore dejó de ser un objetivo, con lo que ha dejado de cumplirse. Nunca volverá a ser un objetivo y nunca volverá a estar vigente.

  6. Anteriormente, me comentaste que los transistores de superconductores, los fotonicos ( que funcionan con luz ), … o los de grafeno; no tendrán aplicaciones en computación de videojuegos. En el caso del grafeno, por ser muy caros, para esta aplicación.

    A diferencia de estos ultimos, ¿ los transistores de una sola molécula, un solo atomo, y de un solo electron; tendrán aplicación en computación de videojuegos, en un futuro. ? Si no fuese así, ¿ por que, no tendrían aplicación para esta área?. ¿ Se debe solo a la mayor carestia de esta recnologia, en comparacion con la convencional, para la creacion de nuevos videojuegos ?. Con estos, se llegaría a 1 nm, de tamaño; que sería el colmo de la miniaturizacion. Además, se reduciría mucho la potencia electrica, que estos transistores, consumirian.

  7. Ahora he leído, que Microsoft nos presenta a Xbox 2042, una plataforma que obviamente no existe, y que quizá nunca llegue a materializarse, pero que se presenta como un concepto muy interesante con el que el gigante de Redmond intenta darnos una visión de lo que su consola podría llegar a ofrecer dentro de 20 años. Esa hipotética Xbox 2042 tendría una interfaz holográfica, y dispondría de hardware que sería capaz, en teoría, de interactuar de una manera nunca antes vista con el ser humano, tanto a través de sus ojos como de su cerebro.

    el potencial que ofrecería a nivel de hardware: 32K, es decir, en 30.720 x 17.280 píxeles. Si hacemos números, esto equivale a mover más de 530,8 millones de píxeles. ( en 4K se mueven un total de 8,29 millones de píxeles. ) Xbox 2042 podría llegar a 480 FPS sin problemas de latencia, y que alcanzaría una potencia de 1 exaflops, es decir, nada más y menos que un millón de teraflops. Si te preguntas si esto es mucho, recuerda que una GeForce RTX 3090 es capaz de ofrecer una potencia de 35,58 teraflops en FP32.

    Esa Xbox 2042 podría alcanzar ese enorme rendimiento gracias a la computación cuántica, una tecnología que lleva varios años consiguiendo importantes avances, aunque todavía está en una etapa bastante temprana. Sus juegos no tendrían, además, tiempos de carga, funcionarían de forma instantánea. https://youtu.be/im0QjYpW-x0
    Fuente: https://www.muycomputer.com/2021/10/28/xbox-2042-juegos-32-k/

    Pero a mi, los que me gustan más, son los 2. 5D ( gráficos poligonales 3D y un scroll de cámara fija 2D ), no fotoralistas ( esteticista, o de dibujos animados ). Y para esto, no hace falta recrear una simulación de una realidad, de mundo abierto fotorealista ( como nos la presenta la SciFi de Star Trek, con la holocubierta. Con una buena pantalla plana, sera suficiente.

    1. Horch, la idea de usar 32K me parece absurda, pues el ojo humano no puede ver la diferencia (las pantallas retina de Apple rondan entre 8k y 10k). Por otro lado, Horch, que no te engañen, nunca la computación cuántica logrará «ese enorme rendimiento» en aplicaciones clásicas (como la síntesis de imágenes); nunca. Los ordenadores cuánticos solo se usarán en aplicaciones que requieran resolver problemas cuánticos (nadie nunca malgastará la computación cuántica en potenciar los videojuegos, entre otras cosas, porque es inútil en la práctica).

  8. Acabo de leer, los inconvenientes de reducir tanto los componentes electronicos. Sobre los transistores de nanotubos, comentan, que: los nanotubos de carbono tienden a enrollarse en bolitas y agruparse como espaguetis. Además, la mayoría de los métodos convencionales de síntesis hacen que los nanotubos metálicos y semiconductores sean una combinación complicada. Los científicos de materiales e ingenieros han estado investigando distintas formas para corregir y solucionar estas imperfecciones. En 2019, los investigadores del MIT utilizaron técnicas mejoradas para fabricar un microprocesador de 16 bits con más de 14.000 transistores de nanotubos de carbono. Eso todavía está lejos de ser un chip de silicio con millones o miles de millones de transistores, pero de todos modos es un progreso.

    En ADN: la síntesis de ADN tendría que ser seis órdenes de magnitud más barata para competir con la cinta magnética

    En el transistor molecular, tenemos, que: » después de varias décadas de trabajo, el sueño de la electrónica molecular sigue siendo solo eso. Los investigadores han descubierto que las moléculas individuales pueden ser delicadas, ya que funcionan como transistores solo en unas condiciones muy concretas. «Nadie ha demostrado cómo los dispositivos de una sola molécula pueden integrarse de manera fiable en la microelectrónica masivamente paralela», afirma el químico de la Universidad de Alberta (Canadá) Richard McCreery.

    El sueño de la electrónica molecular no ha muerto por completo, pero en la actualidad está relegado en gran medida a los laboratorios de física y química, donde los investigadores siguen luchando para controlar esas moléculas infinitamente inconstantes. »

    https://www.technologyreview.es/s/13782/cinco-posibles-alternativas-del-silicio-para-los-transistores

    ¿Qué viene después?

    El silicio aún reina a lo grande, pero se está acabando el tiempo para el semiconductor favorito de todos. La última hoja de ruta internacional para dispositivos y sistemas (IRDS) sugiere que se espera que los transistores dejen de reducirse después de 2028 y que los circuitos integrados deban acabar en tres dimensiones para seguir haciendo posible la creación de chips más rápidos y eficientes.

    Este podría ser el momento en el que otros dispositivos informáticos encuentren un hueco, pero solo en conjunto con la tecnología de silicio. Los investigadores ya están explorando algunos enfoques híbridos para fabricar los chips. En 2017, los científicos que habían progresado con los transistores de nanotubos de carbono los integraron con capas de memristores no volátiles y dispositivos de silicio, como prototipo de un enfoque para mejorar la velocidad y el consumo de energía en la computación alejándose de la arquitectura tradicional.

    Los chips clásicos basados en silicio seguirán avanzando, opina Malaya, de AMD. Pero añade: «Creo que el futuro será heterogéneo, en el que todas las tecnologías se utilizarán probablemente de forma complementaria a la computación tradicional».

    En otras palabras, el silicio seguirá siendo el futuro. Pero otras cosas también lo serán.

    ¿ Podríamos pensar también, en otros semiconductores binarios: AsGa, SbIn , AlP, … O de tres componentes, como: AlGaAs.?

    .

    1. Horch, en este blog puedes leer «RV16X-NANO: un microprocesador RISC de 16 bits con 14702 transistores de nanotubos de carbono», LCMF, 29 ago 2019.

      ¿Silicio u otro material en microelectrónica? Competir contra el silicio en su nicho tecnológico es casi imposible. Los semiconductores binarios y ternarios tienen algunas ventajas sobre el silicio, pero dichas ventajas les abren nuevos nichos tecnológicos que el silicio no puede ocupar; como no tienen ninguna ventaja sobre el silicio en el nicho tecnológico que el silicio ocupa, no son una competencia para el silicio en dicho nicho tecnológico.

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