El equipo demostró que el grafeno puede ser utilizado para hacer versiones más rápidas y más eficientes en cuanto a energía de los circuitos que procesan y generan las señales de radio en los teléfonos móviles y otros dispositivos inalámbricos. Lo hicieron utilizando técnicas de fabricación existentes, lo que sugiere que sus diseños podrían ser lo suficientemente asequibles para comercializarlos.
"Este es un trabajo realmente emocionante y apunta al futuro cercano de la electrónica de grafeno", afirma James Tour, profesor de química y ciencias informáticas en la Universidad Rice en Houston, Texas, que no estuvo involucrado en el trabajo.
El grafeno, una malla de átomos de carbono de un único átomo de espesor, conduce los electrones mucho más rápidamente que el silicio. Sus propiedades electrónicas son tales que su mayor potencial no reside en los circuitos de lógica digital que se encuentran en los microprocesadores, sino en unos rápidos componentes electrónicos analógicos, como los realizados por el equipo de IBM.
Los investigadores demostraron por primera vez la promesa eléctrica del grafeno en 2004, aunque desde entonces los ingenieros han luchado por construir circuitos de grafeno utilizando las tecnologías de fabricación existentes. Hasta ahora, los investigadores han creado transistores de grafeno capaces de operar a velocidades de 300 gigahercios, lo que significa que se encienden y apagan 300 mil millones de veces por segundo, treinta veces más rápido que los mejores transistores de silicio.
Para hacer sus circuitos integrados, los investigadores de IBM tuvieron que combinar sus transistores de grafeno con otros materiales, lo cual resultó siendo un reto por dos razones. En primer lugar, cuando los transistores de grafeno se colocan demasiado cerca de ciertos metales, el rendimiento de los transistores se degenera. En segundo lugar, poner los transistores de grafeno y otros elementos en un único microchip es difícil. Hoy, en la revista Science, los investigadores de IBM informan sobre métodos para la creación de circuitos integrados de grafeno en chips individuales usando los métodos existentes.
El grupo IBM creó un tipo de circuito llamado mezclador de frecuencia, combinando un transistor de grafeno y dos dispositivos metálicos llamados inductores. "El mezclador de frecuencia es uno de los bloques de construcción básicos de la electrónica analógica y las comunicaciones inalámbricas en particular", afirma el investigador de IBM Yu-Ming Lin. Estos dispositivos se utilizan en teléfonos móviles para convertir la señal de radio usada para transmitir la información en otra señal en un rango de frecuencia que el oído humano pueda escuchar. Esto se lleva a cabo mediante la mezcla de la señal de radio con una señal de referencia.
nPreviamente, la combinación del grafeno con otros materiales ha degradado la velocidad de los componentes electrónicos resultantes. El grupo de IBM evitó esto asegurándose de que los otros materiales no estuvieran en contacto con el grafeno de una manera perjudicial. Crearon matrices de transistores de grafeno en la superficie de obleas de carburo de silicio recubierto con grafeno. A continuación, retiraron mediante grabado el grafeno adicional alrededor de los transistores, dejando una superficie transparente en la que era más fácil introducir los inductores de metal. Al asegurarse de dejar una separación entre los transistores de grafeno y los inductores de metal también se impidió la degradación de las propiedades eléctricas del transistor.
Los circuitos resultantes funcionan a 10 gigahercios—mucho más rápido que los circuitos de grafeno anteriores. Lin admite que son menos fiables que los mezcladores de frecuencias de silicio de más alta gama, pero afirma que esperan cerrar esa brecha pronto.
Los investigadores de IBM planean fabricarlos a una escala de decenas de nanómetros, en vez de centenas. "Fácilmente pueden ser diez veces más pequeños, lo que nos ayudaría a superar el récord", asegura Lin. "Aún no hemos alcanzado los límites de los dispositivos de grafeno en términos de velocidad—creemos que pueden entrar en el rango de los terahercios".
El siguiente paso es mejorar la fiabilidad de los circuitos, afirma Xiangfeng Duan, profesor de química en la Universidad de Califo ia en Los Ángeles. "La señal sale más débil en el otro extremo", explica. "La mejora de los transistores ayudará a conseguir un mejor rendimiento del circuito".
El grupo de IBM está trabajando en este problema, y está desarrollando circuitos integrados de grafeno más complejos. Lin afirma que el método utilizado para los circuitos del mezclador de frecuencia funcionará para otros tipos de circuitos. "Este es el primer paso hacia un nuevo nivel de potencial", asegura. "Tal vez no veamos el impacto real del grafeno durante los próximos cinco a diez años".