¿Pueden los semiconductores orgánicos combinar los beneficios del grafeno y el silicio?

Potencial no aprovechado del semiconductor de grafeno

Graphene has long been considered a material milagroso, con características excepcionales that may play a role in next-gen semiconductors. Its perception as a miracle material is multipronged due to its physical characteristics, as it is 200x stronger than steel, and its electron mobility is 140x faster in graphene than in silicon.

Fuente: Visual Capitalist

Al principio, los investigadores que estudiaban el grafeno pensaron que podría reemplazar al silicio en los semiconductores. Desafortunadamente, le falta una característica electrónica clave llamada “brecha de banda”.

Una brecha de banda determina si un material será considerado un metal (conduce electricidad), un aislador (bloquea la electricidad) o un semiconductor (que puede alternar entre ser conductor y aislante).

Fuente: Energy Education

El problema es que el grafeno no tiene ninguna brecha de banda, lo que impide su uso como semiconductor.

Sin embargo, otro tipo de material podría tener la misma movilidad electrónica que el grafeno pero presentar una brecha de banda compatible con las capacidades de los semiconductores. Este material se llama polímero orgánico.

Construcción de semiconductores orgánicos

Lo que hace que el grafeno sea tan conductor son dos factores:

1. Es esencialmente un material 2D, formando una capa monoatómica perfectamente plana de átomos de carbono.
2. Los electrones entre los hexágonos de carbono pueden fluir casi libremente entre las estructuras atómicas llamadas hidrocarburos aromáticos.

Fuente: Britannica

Los hidrocarburos aromáticos son en realidad muy comunes en la naturaleza, pero la capa 2D del grafeno es mucho más rara. Sin embargo, muchos materiales orgánicos tienen el potencial de presentar la brecha de banda que falta en el grafeno.

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) de Corea del Sur, el Prof. Kimoon Kim, el Prof. Ji Hoon Shim, el Prof. Jun Sung Kim y la Dra. Yeongsang Lee, buscaron una forma de convertir material orgánico ordinario en algo similar al grafeno.

Fuente: POSTECH

Fabricación de polímeros orgánicos 2D

Lo que impide que los polímeros orgánicos funcionen como grafeno es que, durante su polimerización, el apilamiento intercapas bloquea el crecimiento del polímero.

Los investigadores descubrieron que al añadir grupos químicos que bloquean la unión de monómeros (estéricamente), podían suprimir el apilamiento de intermedios poliméricos bidimensionales. El polímero orgánico utilizado fue triazacorona.

Fuente: POSTECH

Luego añadieron a la síntesis del polímero un paso llamado doping de tipo p, comúnmente usado en la producción de semiconductores. Esto se refiere a añadir elementos a un material semiconductor para hacerlo aún más conductor.

Fuente: Wikipedia por VectorVoyager 

El material resultante ha sido descrito por los investigadores como poseedor de una “conductividad eléctrica sobresaliente”.

El enorme potencial de los semiconductores orgánicos

Este logro resuelve el problema de que los semiconductores orgánicos tengan una movilidad electrónica demasiado baja.

También facilita el control de las vías de conducción para electrones y huecos a nivel molecular, un paso necesario para fabricar transistores y chips informáticos a partir de este material.

También es posible que al grafeno se le “asigne” una brecha de banda, otra vía explorada con más detalle en nuestro artículo “Semiconductores de grafeno – ¿Están finalmente aquí?”.

Tanto el potencial de los semiconductores de grafeno como los semiconductores orgánicos con especificaciones similares al grafeno podrían tener muchas aplicaciones posibles.

Por supuesto, eso solo si seguimos computando basándonos en semiconductores, en lugar de fotónica como se discute en “Avanzando los semiconductores – ¿Podrían los haces de ‘donut’ a bloques de ‘Lego’ cambiar los enfoques de la industria?” o la computación cuántica como se discute en “El estado actual de la computación cuántica”.

Semiconductores

Mientras el silicio está alcanzando un límite debido a sus características físicas, la conductividad similar al grafeno podría convertir a los semiconductores orgánicos en un material de reemplazo viable para mantener válida la Ley de Moore, ya que electrones más rápidos se traducen en una computación más rápida.

Esto añade material orgánico a los candidatos para reemplazar al silicio, junto con grafeno mejorado y materiales de tipo Aislador a Metal (IMT) como el dióxido de vanadio (puedes leer más sobre estos avances tecnológicos de semiconductores en “Manteniendo el ritmo de la Ley de Moore con sustratos activos y computación neuromórfica”).

Baterías

Otra industria que está considerando el uso de material orgánico para reemplazar metales es la industria de baterías, impulsada por el auge de los vehículos eléctricos y las energías renovables.

Si los materiales orgánicos pueden exhibir propiedades similares al grafeno, podrían ser una opción para baterías de grafeno, una de las muchas posibles químicas de baterías para vehículos eléctricos, que discutimos en “El futuro de la movilidad – Tecnología de baterías”.

Empresas de semiconductores

1. IBM

Un pionero histórico en computación, semiconductores y diseño de chips, International Business Machines Corporation (IBM) ha estado presente en la mayoría de las innovaciones de vanguardia en la computación y la industria de los semiconductores.

Esto incluye materiales orgánicos conductores como se discute en este artículo, pero también computación neuromórfica, computación cuántica, fotónica, etc.

Junto con Intel, IBM está entre las empresas que más impulsan agresivamente nuevas formas de tecnologías de computación, buscando replicar la computación no basada en silicio y sus éxitos pasados.

Esto coloca a IBM en una buena posición para aprovechar su enorme presupuesto de I&D y su red de socios de investigación para explotar descubrimientos como los semiconductores orgánicos similares al grafeno.

2. ON Semiconductor Corporation

ON Semi es una empresa de semiconductores especializada en electrificación, incluyendo en automoción, pero también en otros sectores como energía solar, baterías, aeroespacial, telecomunicaciones, centros de datos y medicina. Como tal, es un socio clave para muchas de las mayores compañías industriales del mundo.

Fuente: ON Semi

Una gran parte de la ventaja tecnológica de ON Semi se basa en el carburo de silicio, un tipo de compuesto de silicio y carbono utilizado para sistemas eléctricos de alta energía. Notablemente, permiten cargas de potencia muy altas requeridas para la carga rápida de los vehículos eléctricos.

El carburo de silicio es el químico utilizado recientemente por investigadores para desarrollar grafeno semiconductor, como se discute en nuestro artículo “Semiconductores de grafeno – ¿Están finalmente aquí?”.

La estrategia de ON Semi de apostar fuertemente por el carburo de silicio llevó a la empresa a experimentar un aumento en los ingresos en los últimos años, impulsado por la revolución de los vehículos eléctricos.

La experiencia de ON Semi en carburo de silicio y, en general, en semiconductores que utilizan carbono podría ser valiosa para industrializar semiconductores basados tanto en grafeno como en materiales orgánicos.

Mientras tanto, la necesidad de baterías y sistemas eléctricos cada vez más potentes y eficientes, los carburos de silicio, se están volviendo cada vez más importantes en la cadena de suministro global. Como líder del sector, ON Semi probablemente se beneficiará enormemente de la tendencia de electrificación, especialmente en los vehículos eléctricos.

Finalmente, también es posible que si los semiconductores orgánicos tienen aplicaciones en la tecnología de baterías, la fuerte presencia de ON Semi en el sector pueda ayudarle a ser una de las primeras empresas en posición de desplegar esta tecnología.