Un equipo de investigadores de Penn State ha logrado un hito histórico al crear la primera computadora del mundo basada completamente en materiales bidimensionales (2D), marcando un potencial punto de inflexión en la industria de semiconductores que ha dependido del silicio durante décadas.
El fin de la era del silicio
El silicio ha sido el rey indiscutible de la tecnología de semiconductores que impulsa smartphones, computadoras, vehículos eléctricos y más, pero su corona podría estar tambaleándose. Los investigadores han demostrado que cuando los dispositivos de silicio se miniaturizan, su rendimiento comienza a degradarse, mientras que los materiales 2D mantienen sus propiedades excepcionales incluso a escala atómica.
«El silicio ha impulsado avances notables en la electrónica durante décadas al permitir la miniaturización continua de transistores de efecto de campo (FETs)», explicó Saptarshi Das, profesor Ackley de Ingeniería en Penn State y líder de la investigación. «Sin embargo, a medida que los dispositivos de silicio se encogen, su rendimiento comienza a degradarse. Los materiales bidimensionales, por el contrario, mantienen sus propiedades electrónicas excepcionales a grosor atómico».
Breakthrough tecnológico revolucionario
El desarrollo, publicado en la prestigiosa revista Nature, representa un salto importante hacia la realización de dispositivos electrónicos más delgados, rápidos y energéticamente eficientes. Los investigadores crearon una computadora CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) utilizando dos materiales 2D diferentes:
- Disulfuro de molibdeno para transistores tipo n
- Diseleniuro de tungsteno para transistores tipo p
Esta combinación permite controlar el flujo de corriente eléctrica de manera similar a como lo hacen las computadoras CMOS convencionales, pero con ventajas significativas en términos de eficiencia y tamaño.
Fabricación a gran escala
El equipo utilizó deposición química de vapor organometálico (MOCVD), un proceso que implica vaporizar ingredientes, forzar una reacción química y depositar los productos en un sustrato. Con esta técnica lograron cultivar grandes láminas de los materiales 2D y fabricar más de 1,000 transistores de cada tipo.
«Ajustamos cuidadosamente los pasos de fabricación y post-procesamiento del dispositivo para poder ajustar los voltajes umbral de ambos transistores tipo n y p, permitiendo la construcción de circuitos lógicos CMOS completamente funcionales», detalló Subir Ghosh, estudiante doctoral y primer autor del estudio.
Rendimiento y perspectivas futuras
La computadora 2D desarrollada opera a voltajes de suministro bajos con consumo mínimo de energía y puede realizar operaciones lógicas simples a frecuencias de hasta 25 kilohertz. Aunque esta frecuencia es baja comparada con los circuitos CMOS de silicio convencionales, la computadora conocida como «computadora de conjunto de instrucciones única» puede realizar operaciones lógicas básicas.
«También desarrollamos un modelo computacional, calibrado usando datos experimentales e incorporando variaciones entre dispositivos, para proyectar el rendimiento de nuestra computadora CMOS 2D y compararla con la tecnología de silicio de vanguardia», agregó Ghosh.
Un futuro prometedor
Das enfatizó que aunque se necesita más trabajo para desarrollar completamente el enfoque de computadoras CMOS 2D para uso amplio, el campo se está moviendo rápidamente comparado con el desarrollo de la tecnología de silicio.
«La tecnología de silicio ha estado en desarrollo durante aproximadamente 80 años, pero la investigación en materiales 2D es relativamente reciente, surgiendo realmente alrededor de 2010», explicó Das. «Esperamos que el desarrollo de computadoras de materiales 2D sea también un proceso gradual, pero esto es un salto adelante comparado con la trayectoria del silicio».
Implicaciones para la industria
Este avance marca un hito significativo en el aprovechamiento de materiales 2D para hacer avanzar el campo de la electrónica. La demostración exitosa de una computadora CMOS completamente funcional basada en materiales 2D abre la puerta a:
- Dispositivos más eficientes energéticamente
- Electrónicos ultra-delgados
- Mejor rendimiento a escala nanométrica
- Nuevas aplicaciones en computación flexible
La investigación fue apoyada por la National Science Foundation de EE.UU., la Army Research Office y la Office of Naval Research, y se benefició de las instalaciones del 2D Crystal Consortium Materials Innovation Platform (2DCC-MIP) en Penn State.
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