Nanoelectrónica

La nanoelectrónica basada en la nanotecnología, es la siguiente evolución de la microelectrónica, en la que los nuevos dispositivos se diseñarán a escalas nanométricas, de un tamaño atómico o molecular. Así, se espera que con esta tecnología, se implementen nuevos sistemas de computación molecular y computación cuántica superiores a cualquier superordenador actual, para permitir que los futuros dispositivos electrónicos sean más pequeños que la caja de cerillas y no más grandes que un grano de arena.

Estos nuevos sistemas informáticos serán mucho más potentes y veloces, con una capacidad de almacenamiento de datos prácticamente infinita, un consumo energético reducido y un coste de funcionamiento menor. Esto hace que la nanoelectrónica sea atractiva para la industria nanotecnológica.

¿Qué es la Nanoelectrónica?

La nanoelectrónica hace referencia al uso de la nanotecnología en componentes electrónicos, especialmente transistores. Aunque el término nanotecnología suele definirse como la utilización de tecnología de menos de 100 nm de tamaño, la nanoelectrónica suele referirse a dispositivos transistores tan pequeños que es necesario estudiar a fondo las interacciones interatómicas y las propiedades mecánicas cuánticas.

Enfoques de la nanoelectrónica

Nanofabricación

Por ejemplo, los transistores de un solo electrón, que implican el funcionamiento del transistor basado en un solo electrón. Los sistemas nanoelectromecánicos también entran en esta categoría.

La nanofabricación se puede utilizar para construir conjuntos paralelos ultradensos de nanocables, como alternativa a la síntesis de nanocables individualmente.

Electrónica de nanomateriales

Además de ser pequeños y permitir que se puedan colocar más transistores en un solo chip, la estructura uniforme y simétrica de los nanotubos permite una mayor movilidad de los electrones (movimiento más rápido de los electrones en el material), una constante dieléctrica más alta (frecuencia más rápida) y una característica electrón/hueco simétrica.

Además, las nanopartículas se pueden utilizar como puntos cuánticos.

Electrónica molecular

Los dispositivos de una sola molécula son otra posibilidad. Estos esquemas harían un uso intensivo del autoensamblaje molecular, diseñando los componentes del dispositivo para construir una estructura más grande o incluso un sistema completo por sí solos. Esto puede ser muy útil para la computación reconfigurable e incluso podría reemplazar por completo la tecnología FPGA actual.

La electrónica molecular es una nueva tecnología que aún está en pañales, pero que también permite albergar esperanzas de que en el futuro existan verdaderos sistemas electrónicos a escala atómica. Una de las aplicaciones más prometedoras de la electrónica molecular fue propuesta por el investigador de IBM Ari Aviram y el químico teórico Mark Ratner en sus trabajos Molecules for Memory, Logic and Amplification, de 1974 y 1988.

Ésta es una de las muchas formas posibles de sintetizar un diodo/transistor a nivel molecular mediante química orgánica. Se propuso un sistema modelo con una estructura de espirocarbono que da lugar a un diodo molecular de aproximadamente medio nanómetro de diámetro que podría conectarse mediante hilos moleculares de politiofeno. Los cálculos teóricos demostraron que, en principio, el diseño era correcto y aún hay esperanzas de que el sistema funcione.

Otros enfoques

La nanoiónica estudia el transporte de iones en lugar de electrones en sistemas a escala nanométrica.

La nanofotónica estudia el comportamiento de la luz a escala nanométrica y tiene como objetivo desarrollar dispositivos que aprovechen este comportamiento.

Dispositivos Nanoelectrónicos

Los procesos de producción de alta tecnología actuales se basan en estrategias tradicionales de arriba hacia abajo, en las que la nanotecnología ya se ha introducido de forma silenciosa. La escala de longitud crítica de los circuitos integrados ya se encuentra en la nanoescala (50 nm y menos) en relación con la longitud de compuerta de los transistores en las CPUs o los dispositivos DRAM.

Computadoras

La nano electrónica promete hacer que los procesadores de las computadoras sean más potentes que lo que es posible con las técnicas de fabricación de semiconductores convencionales. Actualmente se están investigando varios enfoques, incluidas nuevas formas de nanolitografía, así como el uso de nanomateriales como nanocables o moléculas pequeñas en lugar de los componentes CMOS tradicionales. Se han fabricado transistores de efecto de campo utilizando tanto nanotubos de carbono semiconductores como con nanocables semiconductores heteroestructurados.

Producción de energía

Se están realizando investigaciones para utilizar nanocables y otros materiales nanoestructurados con la esperanza de crear células solares más baratas y eficientes que las que se pueden crear con las células solares planas de silicio convencionales. Se cree que la invención de una energía solar más eficiente tendría un gran efecto en la satisfacción de las necesidades energéticas mundiales.

También se están realizando investigaciones sobre la producción de energía para dispositivos que funcionarían in vivo, llamados bio-nanogeneradores.

Diagnóstico médico

Existe un gran interés en construir dispositivos nanoelectrónicos que puedan detectar las concentraciones de biomoléculas en tiempo real para su uso en diagnósticos médicos, entrando así en la categoría de nanomedicina. Una línea de investigación paralela busca crear dispositivos nanoelectrónicos que puedan interactuar con células individuales para su uso en investigación biológica básica. Estos dispositivos se denominan nanosensores.

Espintrónica

Además de los transistores, los dispositivos nanoelectrónicos desempeñan un papel importante en el almacenamiento de datos (memoria). En este campo, la espintrónica -estudio y explotación en dispositivos de estado sólido del espín de los electrones y su momento magnético asociado, junto con la carga eléctrica- es ya una tecnología consolidada.

La espintrónica también desempeña un papel en las nuevas tecnologías que aprovechan el comportamiento cuántico para la informática.

Nuevos dispositivos optoelectrónicos

En la moderna tecnología de la comunicación, los dispositivos eléctricos analógicos tradicionales se sustituyen cada vez más por dispositivos ópticos u optoelectrónicos debido a su enorme ancho de banda y capacidad, respectivamente. Dos ejemplos prometedores son los cristales fotónicos y los puntos cuánticos.

Los cristales fotónicos son materiales con una variación periódica del índice de refracción con una constante de red que es la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada. Ofrecen un hueco de banda seleccionable para la propagación de una determinada longitud de onda, por lo que se asemejan a un semiconductor, pero para la luz o los fotones en lugar de los electrones.

Los puntos cuánticos son objetos a nanoescala que pueden utilizarse, entre otras muchas cosas, para la construcción de láseres. La ventaja de un láser de puntos cuánticos sobre el láser semiconductor tradicional es que su longitud de onda emitida depende del diámetro del punto. Los láseres de puntos cuánticos son más baratos y ofrecen una mayor calidad de haz que los diodos láser convencionales.

Pantallas

La producción de pantallas con bajo consumo energético se puede lograr utilizando nanotubos de carbono (CNT) y/o nanocables de silicio. Estas nanoestructuras son conductoras de electricidad y debido a su pequeño diámetro de varios nanómetros, se pueden utilizar como emisores de campo con una eficiencia extremadamente alta para pantallas de emisión de campo (FED). El principio de funcionamiento se asemeja al del tubo de rayos catódicos, pero en una escala de longitud mucho menor.

Computadoras cuánticas

Los métodos informáticos completamente nuevos aprovechan las leyes de la mecánica cuántica para crear computadoras cuánticas innovadoras que permiten el uso de algoritmos cuánticos rápidos. La computadora cuántica tiene un espacio de memoria de bits cuánticos denominado «qubit» para realizar varios cálculos al mismo tiempo. En los dispositivos nanoelectrónicos, el qubit está codificado por el estado cuántico del espín de uno o más electrones. El espín está confinado por un punto cuántico semiconductor o un dopante.

Radios

Se han desarrollado nanoradios estructurados alrededor de nanotubos de carbono.

Electrónica Portátil y Flexible

La era de la electrónica portátil ha llegado, como demuestra el rápido crecimiento de los relojes inteligentes, las pulseras fitness y otros dispositivos avanzados de control de la salud de última generación, como los tatuajes electrónicos adhesivos.

Si la investigación actual sirve de indicador, la electrónica para llevar puesta irá mucho más allá de los dispositivos electrónicos muy pequeños o los ordenadores flexibles para llevar puestos. Estos dispositivos no sólo se integrarán en sustratos textiles, sino que un dispositivo o sistema electrónico podría acabar convirtiéndose en el propio tejido.

Los tejidos electrónicos (e-textiles) permitirán diseñar y producir una nueva generación de prendas con sensores distribuidos y funciones electrónicas. Estos e-textiles tendrán la revolucionaria capacidad de sentir, actuar, almacenar, emitir y moverse -pensemos en funciones de control biomédico o nuevas interfaces hombre-máquina-, aprovechando idealmente una infraestructura de fabricación textil de bajo coste ya existente.

Conclusión

El campo de la nanoelectrónica ha ido creciendo lentamente en los últimos años y es la respuesta a la creciente demanda de aparatos electrónicos más pequeños, pero que mantengan un alto rendimiento. Los componentes basados en nanomateriales pueden hacerse mucho más pequeños que los fabricados con materiales tradicionales más voluminosos, lo que ayuda a reducir el tamaño total del dispositivo electrónico.

Además, muchos nanomateriales son estables en la mayoría de los entornos, ya sea en un sensor dentro de un duro entorno de procesamiento químico, o en un dispositivo electrónico que emite mucho calor residual a los componentes internos.

Si bien hay muchas áreas de la nanoelectrónica, algunos de los sistemas más ampliamente estudiados incluyen sistemas de almacenamiento y generación de energía inspirados en nanomateriales, varios tipos de transistores moleculares y de tamaño nanométrico, dispositivos optoelectrónicos y circuitos flexibles/imprimibles, en los que los nanomateriales suelen formularse en una tinta e imprimirse.

Es muy probable que las aplicaciones futuras incluyan diversas tecnologías cuánticas si pueden realizarse a nivel comercial, y es probable que asistamos a un aumento de la producción de componentes más pequeños para los sistemas informáticos clásicos y las tecnologías cotidianas.