Un nuevo material promete la próxima generación de electrónica orgánica


24 de junio de 2022

(Noticias de Nanowerk) Durante décadas, los transistores de efecto de campo, posibles gracias a los semiconductores a base de silicio, han impulsado la revolución electrónica. Pero en los últimos años, los fabricantes se han topado con límites físicos estrictos para lograr mayores reducciones en el tamaño de los chips de silicio y ganancias en eficiencia. Es por eso que los científicos e ingenieros están buscando 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 el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno; ofrecen flexibilidad mecánica y bajos costos de fabricación; y se pueden fabricar fácilmente a gran escala”, señala el profesor de ingeniería de UC Santa Barbara, Yon Visell, quien forma 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 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 con los transistores inorgánicos (por ejemplo, basados ​​en silicio)”.

La flexibilidad de diseño descrita por Visell es evidente en la reconfigurabilidad de los dispositivos, que los investigadores de UCSB y otros informan en la revista. Materiales avanzados («Transistores orgánicos electroquímicos de modo dual basados ​​en polielectrolitos conjugados autodopados para electrónica reconfigurable»). La ilustración del concepto muestra electrones altamente móviles moviéndose a través del polímero. La ilustración del concepto muestra electrones altamente móviles moviéndose a través del polímero. (Imagen: Brian largo)

Los circuitos lógicos reconfigurables son de particular interés como candidatos para la electrónica posterior a CMOS, ya que permiten un diseño de circuito simplificado al tiempo que aumentan la eficiencia energética. Una clase recientemente desarrollada de transistores basados ​​en carbono (a diferencia de, por ejemplo, los basados ​​en nitruro de galio o silicio), conocida como transistores electroquímicos orgánicos (OECT), ha demostrado ser muy adecuada para la electrónica reconfigurable.

En el artículo más 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 ofrecer ventajas únicas sobre el semiconductores inorgánicos que se encuentran actualmente en los transistores de silicio convencionales.

«Los bloques de construcción de lógica orgánica reconfigurable son candidatos prometedores para las próximas generaciones de sistemas informáticos eficientes y electrónica adaptativa», escriben los investigadores. «Idealmente, tales dispositivos serían simples en diseño y construcción, [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 alternos y múltiples cadenas laterales cargadas con iones unidos a ellas. «Los enlaces conjugados en todo el polímero lo hacen conductor porque los electrones deslocalizados tienen una alta movilidad a lo largo del polímero», explica el autor principal Tung Nguyen-Dang, becario postdoctoral en el laboratorio de Nguyen asesorado por Visell. «En este diseño molecular, combinas dos materiales clásicos, el polímero y el semiconductor».

La inteligencia artificial (IA) jugó un papel en el desarrollo del material.

«Puedes usar prueba y error para crear un material», dice Nguyen. “Puedes hacer un montón de estos y esperar lo mejor, y tal vez uno de cada veinte funcione o tenga propiedades interesantes; Sin embargo, trabajamos con Gang Lu, profesor de California State Northridge, que usó IA para seleccionar bloques de construcción y hacer cálculos para tener una idea aproximada de cómo deberíamos proceder dados los niveles de energía y las propiedades que buscábamos”.

Descubra la reconfigurabilidad

Un beneficio clave de CPE-K es que permite puertas lógicas reconfigurables («modo dual»), lo que significa que pueden operar en modo de agotamiento o modo de acumulación sobre la marcha, 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 que se aplique un voltaje de compuerta (también conocido como estado ENCENDIDO). Cuando se aplica el voltaje de puerta, la corriente cae y el transistor cambia a un estado APAGADO. El modo de acumulación es el opuesto: sin voltaje de compuerta, el transistor está en una posición de APAGADO, y la aplicación de un voltaje de compuerta da como resultado una corriente más alta, lo que cambia el dispositivo a un estado de ENCENDIDO.

«Las puertas lógicas electrónicas tradicionales, los componentes básicos de todos los circuitos digitales en computadoras o teléfonos inteligentes, son hardware que hace solo el trabajo para el que fue diseñado», dice Nguyen. «Por ejemplo, una puerta AND tiene dos entradas y una salida, y si todas las entradas aplicadas son 1, entonces la salida es 1. Asimismo, una puerta NOR también tiene dos entradas y una salida, pero si todas las entradas aplicadas son 1, entonces la salida es 0. Las puertas electrónicas se implementan con transistores, y su reconfiguración (por ejemplo, cambiar de una puerta AND a una puerta NOR) requiere modificaciones invasivas, como: B. un desmontaje, que suele ser demasiado complicado para ser práctico.

«Las puertas reconfigurables, como la que se muestra aquí, pueden comportarse como ambos tipos de puertas lógicas y cambiar de AND a NOR y viceversa simplemente cambiando el voltaje de la puerta», continúa. “Actualmente, en la electrónica, la funcionalidad está definida por la estructura, pero en nuestro dispositivo puedes cambiar el comportamiento y hacer algo más simplemente cambiando el voltaje aplicado. Si ampliamos esta invención de una sola puerta a circuitos mucho más complejos compuestos por muchas de estas puertas reconfigurables, podemos imaginar una poderosa pieza de hardware que se puede programar con muchas más funcionalidades que las tradicionales con 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 electrónica personal. Esto, junto 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 fabrica dispositivos que pueden controlar la caída de los niveles de glucosa en el cerebro que se produce justo antes de una convulsión», explica Nguyen de 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».

Según Nguyen, los dispositivos hechos de CPE-K tienen dopaje y desdopaje simultáneos según el tipo de iones. “Haces el dispositivo y lo pones en un electrolito líquido: cloruro de sodio [i.e., table salt] disuelto en agua”, dice. “Luego, puede hacer que el sodio migre a la capa activa de CPE-K aplicando un voltaje positivo a la puerta. Alternativamente, puede cambiar la polaridad del voltaje de la puerta y hacer que el cloruro migre a la capa activa. Cada escenario crea un tipo diferente de inyección de iones, y estos iones diferentes nos permiten cambiar los modos de funcionamiento del dispositivo”.

El dopaje automático también simplifica el proceso de fabricación al eliminar el paso adicional de agregar dopantes. «Cuando agrega un dopante, a menudo no se distribuye uniformemente en la mayor parte del material», dice Nguyen. “Los dopantes orgánicos tienden a agruparse en lugar de dispersarse. Sin embargo, dado que nuestro material no requiere este paso, no surge el problema de la distribución no uniforme del dopante. También evita todo el proceso de optimizar el dopante y determinar la mezcla y las 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, mostrando que el dispositivo está haciendo lo que parece estar haciendo.

Visell concluye: «Esta notable nueva tecnología de transistores es un ejemplo ideal de las sorprendentes funcionalidades electrónicas y computacionales que son posibles gracias a la investigación convergente en química, física, materiales e ingeniería eléctrica».



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