Aceleración de los nanocables

Chips más pequeños, ordenadores más rápidos, menos consumo de energía. Se espera que los nuevos conceptos basados en nanocables semiconductores hagan que los transistores de los circuitos microelectrónicos sean mejores y más eficientes. La movilidad de los electrones desempeña un papel fundamental: Cuanto más rápido puedan acelerar los electrones en estos diminutos hilos, más rápido podrá conmutar un transistor y menos energía necesitará. Un equipo de investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), la Universidad Técnica de Dresde y el NaMLab ha logrado demostrar experimentalmente que la movilidad de los electrones en los nanohilos aumenta notablemente cuando la cubierta somete al núcleo del hilo a una tensión. Este fenómeno ofrece nuevas oportunidades para el desarrollo de transistores ultrarrápidos.

Los nanocables tienen una propiedad única: Estos hilos ultrafinos pueden soportar tensiones elásticas muy elevadas sin dañar la estructura cristalina del material. Sin embargo, los materiales en sí no son inusuales. El arseniuro de galio, por ejemplo, se utiliza mucho en la fabricación industrial y se sabe que tiene una alta movilidad intrínseca de los electrones.

La tensión crea velocidad

Para mejorar aún más esta movilidad, los investigadores de Dresde produjeron nanocables formados por un núcleo de arseniuro de galio y una cubierta de arseniuro de aluminio e indio. Los diferentes ingredientes químicos hacen que las estructuras cristalinas de la cubierta y el núcleo tengan espaciamientos de red ligeramente diferentes. Esto hace que la carcasa ejerza una gran tensión mecánica sobre el núcleo, mucho más delgado. El arseniuro de galio del núcleo modifica sus propiedades electrónicas. "Influimos en la masa efectiva de los electrones del núcleo. Los electrones se vuelven más ligeros, por así decirlo, lo que los hace más móviles", explica el Dr. Emmanouil Dimakis, científico del Instituto de Física de Haz de Iones e Investigación de Materiales del HZDR e iniciador del estudio recientemente publicado.

Lo que comenzó como una predicción teórica ha sido demostrado experimentalmente por los investigadores en el estudio recientemente publicado. "Sabíamos que los electrones del núcleo debían ser aún más móviles en la estructura cristalina sometida a tensión. Pero lo que no sabíamos era hasta qué punto la envoltura del hilo afectaría a la movilidad de los electrones en el núcleo. El núcleo es extremadamente delgado, lo que permite a los electrones interactuar con la envoltura y ser dispersados por ella", señaló Dimakis. Una serie de mediciones y pruebas demostraron este efecto: A pesar de la interacción con la envoltura, los electrones del núcleo de los alambres investigados se movían aproximadamente un treinta por ciento más rápido a temperatura ambiente que los electrones de nanoalambres comparables sin tensión o de arseniuro de galio a granel.

Revelando el núcleo

Los investigadores midieron la movilidad de los electrones aplicando una espectroscopia óptica sin contacto: Utilizando un pulso de láser óptico, liberaron electrones en el interior del material. Los científicos seleccionaron la energía del pulso de luz de tal forma que la cáscara parece prácticamente transparente a la luz, y los electrones libres sólo se producen en el núcleo del hilo. Los posteriores pulsos de terahercios de alta frecuencia hicieron oscilar a los electrones libres. "Prácticamente damos una patada a los electrones y empiezan a oscilar en el alambre", explicó el doctor Alexej Pashkin, que optimizó las mediciones para probar los nanohilos con núcleo que se están investigando en colaboración con su equipo del HZDR.

La comparación de los resultados con los modelos revela cómo se mueven los electrones: Cuanto mayor es su velocidad y menos obstáculos encuentran, más dura la oscilación. "En realidad se trata de una técnica estándar. Pero esta vez no hemos medido todo el cable -que comprende el núcleo y la envoltura- sino sólo el pequeño núcleo. Esto supuso un nuevo reto para nosotros. El núcleo representa alrededor del uno por ciento del material. En otras palabras, excitamos cien veces menos electrones y obtenemos una señal cien veces más débil", afirma Pashkin.

Por consiguiente, la elección de la muestra también fue un paso crítico. Una muestra típica contiene una media de entre 20.000 y 100.000 nanocables en un trozo de sustrato de aproximadamente un milímetro cuadrado. Si los alambres están más juntos en la muestra, puede producirse un efecto indeseable: Los cables vecinos interactúan entre sí, creando una señal similar a la de un solo cable más grueso y distorsionando las mediciones. Si no se detecta este efecto, la velocidad de los electrones obtenida es demasiado baja. Para descartar estas interferencias, el equipo de investigación de Dresde llevó a cabo una modelización adicional, así como una serie de mediciones de nanohilos con diferentes densidades.

Prototipos de transistores rápidos

Las tendencias de la microelectrónica y la industria de los semiconductores exigen cada vez más transistores más pequeños que conmuten más rápido. Los expertos prevén que los nuevos conceptos de nanohilos para transistores se introduzcan también en la producción industrial en los próximos años. El desarrollo logrado en Dresde es especialmente prometedor para los transistores ultrarrápidos. El siguiente paso de los investigadores será desarrollar los primeros prototipos basados en los nanohilos estudiados y comprobar su idoneidad para el uso. Para ello, pretenden aplicar, probar y mejorar los contactos metálicos en los nanocables, así como probar el dopaje de los nanocables con silicio y optimizar los procesos de fabricación.