Revista de la Corporación Internacional para el Desarrollo Educativo Bogotá - Colombia EL NANOTRANSISTOR: UNA APLICACIÓN DESCRIPTIVA THE NANOTRANSISTOR: A DESCRIPTIVE APPLICATION Ancizar Paredes Ardila Ingeniero Electrónico Docente de la Corporación Internacional para el Desarrollo Educativo Contacto: Ancizar.paredes967.doc@cide.edu.co, solin83@hotmail.com Resumen: Uno de los muchos conceptos contemporáneos, es la Nanotecnología, en ella se encierra una serie de avances tecnológicos, en éste caso se expone uno específico: El Nanotransistor, a través de una aplicación descriptiva. A partir del concepto del transistor, se asocia a los principios básicos de la Nanociencia, de una manera descriptiva, sin entrar en la formalidad científica de las demostraciones entorno a tales principios. En el esquema epistemológico de la electrónica, el transistor, es el componente básico por excelencia a implementar en las aplicaciones más complejas, de allí su gran importancia y pertinencia, al desarrollar dispositivos electrónicos, de mayor complejidad y aplicabilidad. Palabras Clave: Nanociencia, Nanotransistor, Nanotecnología
Abstract: One of the several contemporary concepts is the nanotechnology; it locks in itself a considerable technological advancement, in this specific case it is exposes a specific one: The nanotransistor, through a descriptive application. The concept of transistor is associated with the basic principles of Nanoscience, in a descriptive way, without going through the formal scientific demonstrations around these principles. In the epistemological scheme of electronics, the transistor is the main component for excellence in the implementation complex applications, hence the great importance and relevance, to develop electronic devices of more complexity and applicability. Keywords: Nanoscience, Nanotransistor, Nanotechnology.. INTRODUCCIÓN Uno de los avances tecnológicos que han impactado el desarrollo de la ciencia y la tecnología es el de la Nanociencia, en ella se incluyen una serie de disciplinas científicas, tantas como las que se conocen en la actualidad, a éste grupo de disciplinas pertenece la Nanoelectrónica. Es así que en la electrónica, uno de los pilares fundamentales de su teoría es el semiconductor, el cual por sus características eléctricas permite que se desarrollen dispositivos electrónicos como el transistor, el diodo, el Triac, entre otros tantos. El transistor, motivo de estudio en cualquier programa afín a la electrónica, permite la comprensión e inferencia, del funcionamiento de otros dispositivos más complejos tales como: Las memorias, los procesadores, las compuertas, en fin, cualquier dispositivo integrado, que se quiera estudiar. Desde el punto de vista anterior, en éste artículo, se pretende realizar un estudio, a partir de una aplicación práctica, teniendo en cuenta que al realizar esta aproximación se observará a través de la ventana, el universo que existe en lo infinitamente pequeño, desde la electrónica.
PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA NANOELECTRONICA. APROXIMACIÓN AL NANOMUNDO Para empezar, debemos aproximarnos al universo nanopequeño, tal vez se ha escuchado mencionar sobre el nano, y lo asociamos al concepto de enano, no estamos tan lejos, los griegos usaban la palabra nano, para referirse a lo enano, pero qué es lo enano?; ya que existen, afortunadamente, un patrón de medida que permite imaginar las dimensiones de las cosas, se parte de ese principio, para explicarlo. Si se quisiera medir el ancho de ésta página, posiblemente se tomaría una regla graduada, u otro instrumento de medida, que permita determinar tal distancia, pero si se quisiera medir el grosor de un cabello, no se usaría el mismo instrumento, se debería emplear algo más sofisticado, un microscopio, con un elemento que permitiera medir tal distancia, tal vez una regla microscópica, para graduarla imagínese la siguiente situación: Tome un metro y lo divide en 10 partes iguales, cada parte se llama: Decímetro, si lo divide en 100, cada parte se llama centímetro, pero si divide ese mismo metro en 1.000.000.000 de partes (Mil millones), a esa pequeña distancia, se le denomina, nanómetro, es decir una milmillonésima parte del metro. La Nanociencia, estudia el comportamiento y la estructura de la materia a esa escala: de 1 a 100nm. [1]. La Nanotecnología realiza aplicaciones de la Nanociencia en productos útiles, es decir aplica el estudio de Nanoestructuras, a partir de la Nanociencia a productos tecnológicos.
Figura 1. Aproximación al nanómetro [1] Para hacerse una idea más próxima al concepto de nanómetro, se presenta en la Figura 1, de arriba abajo: Cabello humano (Diámetro: 75000nm), Glóbulos rojos (Diámetro: 3000nm), Virus de la influenza (Diámetro: 200nm). Ahora, si hablamos de la Nanotecnología, es necesario mencionar que existen avances tecnológicos en diferentes disciplinas a escala nanométrica, como en la robótica, biología, genética, entre otros. En la electrónica, se han fabricado nuevos materiales semiconductores más eficientes, eficaces, de mayor desempeño, desde el punto de vista, funcional y del aprovechamiento de la energía. Una de las Nanoestructuras aplicadas a la electrónica es el nanotubo de carbono, el cual presenta unas características de alta conductividad, bajo ciertas condiciones y ante otras, gran desempeño como semiconductor. [2] Un nanotubo de carbono es una Nanoestructura, fabricada, como su nombre lo indica a base de carbono, y forma cilíndrica, cuyas propiedades físicas se dividen en mecánicas y eléctricas.
Los Nanotubos de Carbono, son formas de carbono que se denominan alotrópicas (diferentes estructuras moleculares en el mismo estado físico), para ello han de presentarse en el mismo estado físico, en éste caso: diamante, grafeno y el grafito entre otras formas de presentación. Figura 2. Estructura nanotubo monocapa [3] Los Nanotubos pueden ser monocapa (Fig. 2) y multicapa, los primeros son tubos simples, en forma de cilindro, los segundos pueden ser uno dentro de otro, concéntricos o varios pequeños dentro de otro. Nos concentraremos en las propiedades eléctricas, aunque las químicas y mecánicas no dejen de ser interesantes. Su comportamiento, es desconcertante, desde el punto de vista cuántico, pues va desde un semiconductor hasta un superconductor, dependiendo su comportamiento, solo de su estructura geométrica, capas, diámetro, entre otras. Los nanotubos rectos, poseen características duales entre conductores y semiconductores, la tercera parte de dicha estructura se comporta como semiconductor. Los superconductores, por otro lado pueden llegar a conducir miles de millones de amperios por centímetro cuadrado (A/cm 2 ), mientras que el cobre bajo estas condiciones, se funde.
EL NANOTRANSISTOR Su importancia radica, en que a esta escala, los semiconductores no funcionan de la misma manera, por ello los nanotubos de carbono son el componente ideal usado para la fabricación de nanotransistores, lo cual llevará al diseño e implementación de nanoprocesadores, llevándonos a una nueva era de la computación: la computación cuántica. Bajo la teoría cuántica, se deben aplicar muchos conceptos físicos complejos; sin embargo, en éste caso, se pueden usar los conceptos básicos, en el estudio de los semiconductores, para explicar el funcionamiento de un Nanotransistor. Figura 4. Estructura de un Nanotransistor SET [4] La estructura de un Nanotransistor con base en Nanotubos de carbono, es semejante a la de un transistor común, (Fig.4). A esta estructura se le conoce también como SET, siglas de la frase en inglés: Single Electron Transistor, o transistor de un electrón, también se han construido estructuras como los FET (Field Effect Transistors - Transistores de Efecto de Campo).
Dada la intencionalidad del artículo, no se describe la forma como se fabrican los Nanotransistores, sin embargo, se hará referencia a su estructura y funcionamiento. Figura 5. Estructura interna de un FET Claramente, se evidencia, la estructura interna de un FET, en la fig.5 se observan las características geométricas de este dispositivo, así como sus componentes, una capa de Titanio (Ti de 3nm), se coloca sobre una capa de sustrato térmicamente oxidado, de SiO 2 (óxido de Silicio) sobre Si (Silicio 100nm), usando un STM como cátodo, se forman líneas nanométricas de Titanio, la barrera de potencial entre TiOx y Ti es de 285 mev. Aquí los NTC, se pueden aplicar en el transporte de electrones entre Drain y Source, mejorando el desempeño del dispositivo. 1.1 Nanotubos de Carbón - Fullereno. El concepto de Nanotransistor, se asocia con el transistor común, en este caso un FET (Field-Effect Transistor- Transistor de Efecto de campo), se evidencia, no en el uso de los componentes que lo conforman, pues como se observa se usa SiO 2, como sustrato, sino en la estructura que se da en la construcción de los nanotubos de carbono, estos se crean a partir de un Microscopio de Fuerza Atómica (AFM- Atomic Force Microscope), que mediante técnicas litográficas, organiza la estructura uno a uno de los átomos de carbono, creando una Nanoestructura, sobre el sustrato.
Figura 6. Forma de un Fullereno [5] Los nanotubos, como se señaló anteriormente, tienen un comportamiento dependiendo de la estructura, en éste caso se expone su comportamiento como metales y como semiconductores. Los nanotubos de carbono están compuestos por grafeno, son estructuras basadas en el fullereno (macromoléculas de carbono individuales. Smalley- Kroto 1985), descubiertos en 1991, llamados también Bukytubes. [6] Figura 7. Estructuras Nanotubos: a, b y c SWNT - d MWNT. [5] Los nanotubos, pueden ser capa simple SWNT (Simple Wall Nanotubes) o multicapa MWNT (Multi Wall Nanotubes), como se muestra en la Figura 7.
Para explicar, como funcionan tales estructuras en su doble naturaleza, se debe recordar el concepto de los niveles de energía de Fermi, en las bandas de Valencia y de Conducción de los átomos. En los metales, los niveles de energía en la banda de conducción son muchos. En los semiconductores, la banda de valencia está separada por un espacio, de la banda de conducción, lo que indica que el electrón para pasar de la banda de valencia (HOMO Highest Occupied Molecular Orbital Orbital Molecular más ocupado) a la banda de conducción (LUMO - Unoccupied Molecular Orbital- El orbital menos ocupado), necesita un mayor nivel de energía. Clasificación de los Nanotubos Los nanotubos, se clasifican de acuerdo a la propiedad, de su estructura, conocida como propiedad química de quiralidad, que consiste en la capacidad de no superponerse ante su imagen especular, es decir, al reflejarse éstos no se pueden superponer, pues su estructura sería diferente. Un ejemplo puede ser el de la mano derecha e izquierda [7], si colocamos una junto a la otra, son el reflejo una de la otra, pero son quirales pues no se pueden superponer a su imagen especular, los dedos no coinciden; mientras que una esfera o un cubo son Aquirales, ya que al superponer el reflejo coinciden sus formas. En éste caso, se trataran aquellos nanotubos no quirales o Achiral (Aquiral), es decir que se pueden superponer a su imagen especular,
Figura 7. Principales estructuras de Nanotubos. [6] Las principales formas son: a. Armchair (Sillón) b. Zig-Zag Variando las dimensiones de m y n, se puede obtener un semiconductor o un metal de la siguiente manera: a. El nanotubo es configurado como metal, si: n = m ó n m = 3i b. El nanotubo es configurado como semiconductor si: m = 0 ó n m 3i Donde i, es un número entero n y m son dimensiones definidas en el nanotubo, como muestra la Figura 7. [6] A partir de dichas consideraciones geométricas, el material construido, ya sea como conductor (metal) o semiconductor, presenta una densidad de estados, la cual consiste en la acumulación de estados o niveles de energía en las bandas.
Figura 8.Distribución de los niveles de energía en bandas [6] Como se observa en la Figura 8, hay una acumulación de bandas de energía, esto se debe a que el numero de átomos ha crecido, de igual forma, los estados de energía están tan cerca, que se mezclan, hacen que las bandas de valencia y de conducción se entrelacen, en una banda continua de estados permitidos, a esta distribución se le denomina: Densidad de estados. Las unidades de medida, de la densidad de estados se determina por cm 3 Unidad de volumen, mientras que los niveles de energía, se determinan en ev (Electrón voltios). Figura 9. Densidad de estados configuración metal y semiconductor. La densidad de estados, en la configuración sillón, donde el Nanotubo de carbono, se comporta como un conductor o metal, se observa, que la densidad de estados (DOS Density Of States), se expresa en función de la energía en ev, separados los picos
entre -1,25 a 1,25 ev, para el comportamiento de semiconductor, hay dos máximos pero se estrecha un poco la brecha entre éstos, aparecen 2 máximos más, adicionales a los observados en el gráfico del NTC, en la configuración como metal. A partir de los resultados obtenidos en investigaciones, se han planteado algunas herramientas computacionales que permiten determinar el comportamiento de los NTC, a partir de los parámetros expuestos anteriormente, como se indica en la siguiente sección. APLICACION DE UN MODELO, PARA EL PROCESO DE SIMULACION En la página de internet, http://nanohub.org, de donde se han extraído la gran mayoría de los aportes de éste artículo, se encuentra una herramienta computacional con los recursos necesarios para determinar, a partir de las variaciones en cuanto a las dimensiones m y n (quiralidad), que se observan en la figura 7, así como el tipo de estructura, entre Nanotubo de Carbón o Nanoribón de carbón, el simulador permite establecer de ésta manera, cuál será su comportamiento, según tal configuración. En el link: http://nanohub.org/resource_files/2006/12/01838/2053/cntbands-ext5.swf, se puede observar la forma como el simulador funciona, paso a paso, éste aporte es, tal vez el más importante de dicha página, que nos permite diseñar una estructura semiconductora o conductora, según las necesidades, de esta manera se pueden diseñar otros dispositivos, como compuertas, memorias, diodos, transistores, entre otros. En éste articulo, se expone un ejercicio elaborado y propuesto por el autor de dicho software, haciendo una descripción funcional de éste, el software fue desarrollado en diversos ambientes, Fortran, Matlab, Octave, en éste articulo, se usará el desarrollado en Matlab.
Figura 10. Interfaz Simulador CNTbands [8] Se parte de la presentación de la interface, la cual tiene el aspecto que se observa en la Figura 10, los diferentes elementos, que la conforman son: Structure: Se pueden seleccionar dos estructuras: Nanotubos de carbón (Carbon Nanotube) y Nanocintas de Carbón (Carbon Nanoribbon). Simulation Method: En éste caso se usará Orbital Pz, el cual se realiza cuando se selecciona los Nanotubos de carbón. Chirality: La quiralidad, se puede controlar a partir de las variables m y n, el lector puede ver la Figura 7. Para establecer el significado de dichos parámetros, sin embargo, si se quiere variar, se pueden usar los valores sugeridos en el cuadro de texto que aparece en la Figura 10, con las parejas ordenadas de quiralidad para nanotubos: (7,7) estructura tipo sillón, comportamiento metálico o conductor; (12,0) estructura tipo Zig-Zag, también conductor; (13,0) también es una estructura tipo Zig-Zag, pero por la distancia entre las bandas es semiconductor. Ahora, para Nanoribbons o Nanocintas la quiralidad que se propone es: (3,3) estructura tipo Zig- Zag metalico; (4,0) semiconductor tipo borde de sillón y (5,0) es de la misma estructura pero su comportamiento es el de un conductor. Model Parameters: en ella se encuentran dos aspectos: Tight Binding Energy ( Energía de enlace), se da en ev (electrón Voltios), es la energía entre los enlaces de carbón, el segundo aspecto es: Carbon-Carbon Spacing espacio entre carbón y
carbono, es la distancia entre cada uno de los átomos de carbono, dicha distancia se da en Angstroms, generalmente es de 1,42 Angstroms Length in 3D View: Longitud de la estructura en 3D Una vez se digiten los parámetros se da clic en el botón, Simulate, el cual permite ver los diferentes resultados. Figura 11. Diagramas E-k Vs Zona de Brouillon Con dichos resultados, se puede determinar, a partir de la estructura generada, el comportamiento del material, ya sea como conductor, aislante o semiconductor, obteniendo con una simple disposición de la estructura, un comportamiento diferente. Queda a motivación del lector, establecer las diferentes configuraciones y explorar este universo del conocimiento, el cuál es de fundamental importancia, desde el punto de vista tecnológico y mucho más en lo referente a la disciplina de la electrónica. CONCLUSIONES Los nanotransistores, son dispositivos que se puede construir con base en estructuras de carbono, según la quilaridad y la disposición de la Nanoestructura. Un nanotransistor es la estructura básica y fundamental, para la construcción de otros dispositivos de mayor complejidad, con desempeños más eficientes y eficaces, comparados con su homólogo semiconductor de silicio.
Existen muchas herramientas que permiten, a partir de elementos sencillos y software de simulación, generar nuevas estructuras, para luego de ser simuladas, se construyan en un laboratorio. Hay muchas personas alrededor del mundo que han contribuido, sustancialmente en el desarrollo de estos avances tecnológicos, sin embargo, aún falta mucho por hacer. La comunidad Nanohub, de donde se obtiene la mayoría de información de éste texto, es un ejemplo de sociedad científica a la que se invita a participar, para el crecimiento de nuestra comunidad académica. Se plantea la imperiosa necesidad, de generar un grupo de estudio, que desde la CIDE, trabaje en este tema de investigación tan interesante y pertinente, para el desarrollo tecnológico de nuestro país, la cualificación de nuestros estudiantes en temas tan afines a la Tecnología. Bibliografía [1] N. TAKEUCHI, "Nanociencia y Nanotecnología," Bogotá, 2011. [2] M. A. Kartner, 9 Septiembre 2000. [En línea]. Available: http://mit.edu/physics/papers/kastner_885.pdf. [Último acceso: 5 Noviembre 2011]. [3] T. RUEKES, «Sciencemag,» Sigma, Life Science, 7 Julio 2000. [En línea]. Available: http://www.sciencemag.org. [Último acceso: 8 Noviembre 2011]. [4] E. FOMBAH. [En línea]. Available: http://www.guo.ece.ufl.edu/project6.ppt. [Último acceso: 8 Noviembre 2011]. [5] A. MENENDEZ, «Oviedo Correo,» 2007. [En línea]. Available: http://www.oviedocorreo.es/personales/carbon/nanotubos/nanotubos.htm. [Último acceso: 19 Nov 2011]. [6] S. Susan, «Nanohub,» 26 Jul 2005. [En línea]. Available: https://nanohub.org/resources/231/play. [Último acceso: 6 Nov 2011].