Llevamos tanto tiempo escuchando hablar de investigaciones y estudios sobre el grafeno, que parecía que nunca iba a despegar. El año 2024 puede ser finalmente “su” año: hace unas horas se ha publicado en Nature el trabajo que sitúa la tecnología al inicio de algo muy prometedor: la creación del primer semiconductor funcional hecho de grafeno.

Para entender el calado de esta creación de un equipo del Instituto de Tecnología de Georgia debemos situar en perspectiva a los semiconductores, nada menos que los materiales que conducen electricidad en condiciones específicas y que pasan por ser los componentes fundamentales de los dispositivos electrónicos. 

En cuanto al grafeno, se trata de una estructura bidimensional en forma de panal formada por una sola capa de átomos de carbono organizados en una red hexagonal. Un material conocido por tener cualidades excepcionales que incluyen una fuerte conductividad eléctrica, resistencia mecánica y flexibilidad.

Por eso, la creación de un semiconductor hecho de grafeno abre la puerta a una nueva forma de hacer electrónica, a la promesa de dispositivos electrónicos aún más pequeños y rápidos para surtir a todo el sector de la robótica o médico de las próximas décadas, donde la IA jugará un papel fundamental. Una nueva tecnología que podría utilizarse para avanzar en la computación cuántica.

Además, el trabajo, publicado bajo el título de Ultrahigh-mobility semiconducting epitaxial graphene on silicon carbide, llega en un momento en que el silicio, el material del que están hechos casi todos los dispositivos electrónicos modernos, está llegando a su límite ante una computación cada vez más rápida y dispositivos electrónicos más pequeños.

Cuentan los investigadores que el semiconductor fabricado a partir de grafeno es compatible con los métodos de procesamiento de microelectrónica convencionales, lo cual es básico si se trata de cualquier alternativa viable al silicio. Según ha explicado Walter de Heer, profesor de Física Regents en Georgia Tech:

Para mí, esto es como un momento de los hermanos Wright . Ahora tenemos un semiconductor de grafeno extremadamente robusto con diez veces la movilidad del silicio y que también tiene propiedades únicas que no están disponibles en el silicio. ¿Pero podemos hacer que funcione?

Nos motivó la esperanza de introducir tres propiedades especiales del grafeno en la electrónica. Es un material extremadamente robusto que puede soportar corrientes muy grandes y puede hacerlo sin calentarse ni desmoronarse.

Explican en su trabajo que lo lograron inventando un método para cultivar grafeno en obleas de carburo de silicio utilizando hornos especializados. Como resultado de ello, se formó grafeno epitaxial, una capa única que se adhiere a la cara del cristal del carburo de silicio. Así, demostraron que cuando se fabricaba correctamente, dicho grafeno epitaxial se unía químicamente al carburo de silicio, revelando características semiconductoras después de muchas pruebas.

No solo eso. El estudio también cuenta que utilizaron una técnica con la que probar la conductividad del material. De hecho, los experimentos revelaron que el novedoso semiconductor de grafeno tenía esas 10 veces la movilidad del silicio que comentaba el profesor.

De fondo, acabar con un desafío clave para la viabilidad del grafeno en el uso comercial de la nanoelectrónica: la ausencia de una “banda prohibida”. En su forma natural, el material no es ni un semiconductor ni un metal propiamente, sino un semimetal. Una banda prohibida es un material que se puede activar y desactivar cuando se le aplica un campo eléctrico, y que es precisamente un aspecto básico de todos los transistores y la electrónica de silicio, para que se enciendan y apaguen de manera efectiva.

Según los autores:

Un problema de larga duración en la electrónica del grafeno es que el grafeno no tenía la banda prohibida adecuada y no podía encenderse y apagarse en la proporción correcta. A lo largo de los años, muchos han intentado abordar esto con una variedad de métodos. Nuestra tecnología logra la banda prohibida y es un paso crucial en la realización de la electrónica basada en grafeno.

Dicho de otra forma, lograron “manipular” el semiconductor de grafeno sin dañar sus propiedades, lo nunca visto antes. Sus mediciones mostraron que su semiconductor de grafeno tiene una movilidad diez veces mayor que la del silicio. En otras palabras, los electrones se movían con una resistencia muy baja, lo que, en electrónica, se traduce en una computación más rápida. Según De Heer:

Es como conducir por un camino de grava versus conducir por una autopista. Es más eficiente, no se calienta tanto y permite velocidades más altas para que los electrones puedan moverse más rápido.

El material conseguido, este grafeno epitaxial convertido en semiconductor funcional, permite aprovechar las propiedades ondulatorias de la mecánica cuántica de los electrones, algo necesario para la computación cuántica. Se abren así las puertas de un más que posible cambio de paradigma en el campo de la electrónica, allanando el camino para una nueva era de tecnologías que aprovechan las insólitas capacidades del grafeno.