Durante décadas, los transistores de efecto de campo habilitados por semiconductores basados en silicio han impulsado la revolución electrónica. Pero en los últimos años, los fabricantes se han enfrentado a estrictos límites físicos para reducir aún más el tamaño y aumentar la eficiencia de los chips de silicio. Eso hace que los científicos e ingenieros busquen alternativas a los transistores semiconductores de óxido de metal (CMOS) convencionales.
«Los semiconductores orgánicos ofrecen varias ventajas distintas sobre los dispositivos semiconductores convencionales basados en silicio: están hechos de elementos abundantemente disponibles, como carbono, hidrógeno y nitrógeno; ofrecen flexibilidad mecánica y bajo costo de fabricación; y pueden fabricarse fácilmente a escala, «, señala el profesor de ingeniería de UC Santa Barbara, Yon Visell, parte de un grupo de investigadores que trabajan con los nuevos materiales. «Quizás lo que es más importante, los propios polímeros se pueden fabricar utilizando una amplia variedad de métodos químicos para dotar a los dispositivos semiconductores resultantes de interesantes propiedades ópticas y eléctricas. Estas propiedades se pueden diseñar, ajustar o seleccionar de muchas más formas que las inorgánicas (p. ej., transistores a base de silicio).
La flexibilidad de diseño que describe Visell se ejemplifica en la reconfigurabilidad de los dispositivos informados por investigadores de UCSB y otros en la revista. Materiales avanzados.
Los circuitos lógicos reconfigurables son de particular interés como candidatos para la electrónica post-CMOS, porque hacen posible simplificar el diseño del circuito al mismo tiempo que aumentan la eficiencia energética. Se ha demostrado que una clase recientemente desarrollada de transistores basados en carbono (a diferencia de, por ejemplo, los basados en nitruro de silicio o de galio), llamados transistores electroquímicos orgánicos (OECT), es muy adecuada para la electrónica reconfigurable.
En el documento reciente, El profesor de química Thuc-Quyen Nguyen, quien dirige el Centro de Polímeros y Sólidos Orgánicos de la UCSB, y los coautores, incluido Visell, describen un material innovador, un polímero suave semiconductor a base de carbono, que puede proporcionar ventajas únicas sobre los semiconductores inorgánicos que se encuentran actualmente. en transistores de silicio convencionales.
«Los dispositivos lógicos orgánicos reconfigurables son candidatos prometedores para las próximas generaciones de sistemas informáticos eficientes y electrónica adaptativa», escriben los investigadores. «Idealmente, tales dispositivos serían de estructura y diseño simples, [as well as] energéticamente eficiente y compatible con técnicas de microfabricación de alto rendimiento».
Conjugación de conductividad
Un polielectrolito conjugado, o CPE-K, consta de un esqueleto conjugado central, con enlaces simples y dobles alternados, y múltiples cadenas laterales cargadas con iones unidos. «Tener enlaces conjugados en todo el polímero lo hace conductivo, porque los electrones deslocalizados tienen una alta movilidad a lo largo del polímero», explica el autor principal Tung Nguyen-Dang, investigador postdoctoral en el laboratorio de Nguyen y co-asesorado por Visell. «Estás uniendo dos materiales clásicos, el polímero y el semiconductor, en este diseño molecular».
La inteligencia artificial (IA) desempeñó un papel en el desarrollo del material. «Se puede proceder por prueba y error para hacer un material», dice Nguyen. «Puedes hacer un montón de ellos y esperar lo mejor, y tal vez uno de veinte funcione o tenga propiedades interesantes; sin embargo, trabajamos con un profesor de California State Northridge, Gang Lu, que usó IA para seleccionar bloques de construcción y hacer cálculos para tener una idea aproximada de cómo proceder, dado el nivel de energía y las propiedades que buscábamos».
Averiguar la reconfigurabilidad
Un beneficio clave de CPE-K es que permite puertas lógicas reconfigurables («modo dual»), lo que significa que se pueden cambiar sobre la marcha para operar en modo de agotamiento o modo de acumulación, simplemente ajustando el voltaje en la puerta. En el modo de agotamiento, la corriente que fluye a través del material activo entre el drenaje y la fuente es inicialmente alta, antes de la aplicación de cualquier voltaje de compuerta (también conocido como estado ENCENDIDO). Cuando se aplica el voltaje de puerta, la corriente cae y el transistor se apaga. El modo de acumulación es lo contrario: sin voltaje de compuerta, el transistor está en una posición APAGADA, y al aplicar un voltaje de compuerta produce una corriente más alta, lo que cambia el dispositivo a un estado ENCENDIDO.
«Las puertas lógicas electrónicas convencionales, que son los componentes básicos de todos los circuitos digitales que se encuentran en computadoras o teléfonos inteligentes, son hardware que solo realizan el trabajo para el que fueron diseñados», dice Nguyen. «Por ejemplo, una puerta AND tiene dos entradas y una salida, y si las entradas que se le aplican son todas 1, entonces la salida será 1. De manera similar, una puerta NOR también tiene dos entradas y una salida, pero si todas las las entradas que se le aplican son 1, luego la salida será 0. Las compuertas electrónicas se implementan mediante transistores, y reconfigurarlas (como cambiar de una compuerta AND a una compuerta NOR) requiere modificaciones invasivas, como el desmantelamiento, que suele ser demasiado complicado. ser práctico.
«Las puertas reconfigurables, como la que mostramos, pueden comportarse como ambos tipos de puertas lógicas, cambiando de AND a NOR y viceversa cambiando solo el voltaje de la puerta», continúa. «Actualmente en la electrónica, la funcionalidad se define por la estructura, pero en nuestro dispositivo se puede cambiar el comportamiento y convertirlo en otra cosa simplemente cambiando el voltaje que se le aplica. Si ampliamos esta invención de una sola puerta a circuitos mucho más complejos que consisten en de muchas de estas puertas reconfigurables, podemos imaginar una poderosa pieza de hardware que se puede programar con muchas más funcionalidades que las convencionales que tienen la misma cantidad de transistores».
Otra ventaja de los OECT basados en CPE-K: pueden funcionar con voltajes muy bajos, lo que los hace adecuados para su uso en dispositivos electrónicos personales. Eso, combinado con su flexibilidad y biocompatibilidad, hace que el material sea un candidato probable para biosensores implantados, dispositivos portátiles y sistemas informáticos neuromórficos en los que los OECT podrían servir como sinapsis artificiales o memorias no volátiles.
«Nuestro colega está fabricando dispositivos que pueden monitorear la caída del nivel de glucosa en el cerebro que ocurre justo antes de una convulsión», explica Nguyen sobre un colaborador de la Universidad de Cambridge en Inglaterra. «Y después de la detección, otro dispositivo, un dispositivo de microfluidos, administrará un medicamento localmente para detener el proceso antes de que suceda».
Los dispositivos fabricados con CPE-K cuentan con dopaje y desdopaje simultáneos según el tipo de iones, según Nguyen. «Haces el dispositivo y lo pones en un electrolito líquido: cloruro de sodio [i.e., table salt] disuelto en agua”, dice. “Entonces puede hacer que el sodio migre a la capa activa de CPE-K aplicando un voltaje positivo en la puerta. Alternativamente, puede cambiar la polaridad del voltaje de la puerta y controlar el cloruro para migrar a la capa activa. Cada escenario produce un tipo diferente de inyección de iones, y esos iones diferentes son los que nos permiten cambiar los modos de funcionamiento del dispositivo».
El autodopaje también simplifica el proceso de fabricación al eliminar el paso adicional de agregar dopantes. «Muchas veces, cuando agrega un dopante, no se distribuye uniformemente en todo el volumen del material», dice Nguyen. «Los materiales dopantes orgánicos tienden a agruparse en lugar de dispersarse. Pero debido a que nuestro material no necesita ese paso, no se encuentra con el problema de la distribución desigual del dopante. También evita todo el proceso de optimizar el dopante y determinar el mezcla y proporciones correctas, todo lo cual agrega pasos y complica el procesamiento».
El equipo también desarrolló un modelo físico para el dispositivo que explica su mecanismo de funcionamiento y predice correctamente su comportamiento en ambos modos de operación, demostrando así que el dispositivo está haciendo lo que parece estar haciendo.
Visell concluye: «Esta notable nueva tecnología de transistores ejemplifica idealmente las sorprendentes funcionalidades electrónicas y de computación que se están habilitando a través de la investigación convergente en química, física, materiales e ingeniería eléctrica».
