Nanotecnología (4): doble personalidad electrónica

Manuel Elices Calafat (Universidad Politécnica de Madrid; Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; National Academy of Engineering USA)

Se han hecho predicciones muy interesantes sobre el comportamiento electrónico, magnético y térmico de los nanotubos de carbono, basadas en su pequeño tamaño —con diámetros de unos pocos nm los efectos cuánticos ya empiezan a notarse— y en sus curiosas simetrías.

Apenas descubiertos, grupos de investigadores en distintas universidades realizaron cálculos demostrando que los nanotubos tenían una doble personalidad electrónica —podían comportarse como metales o como semiconductores— según su estructura y diámetro y dejaron entrever la posibilidad de utilizar los nanotubos como componentes lógicos. Otros investigadores indicaron que los nanotubos podrían exhibir comportamientos cuánticos exóticos en presencia de campos magnéticos, como el efecto Bohm-Aharomov. En los primeros años resultó difícil comprobar experimentalmente las predicciones teóricas porque las muestras eran muy pequeñas y contenían diversos tipos de nanotubos. Estas dificultades se han superado y la experimentación con nanotubos es un área de mucha actividad; ya se hacen experimentos con un solo nanotubo y se han construido dispositivos electrónicos basados en nanotubos.

Las primeras medidas de conductividad eléctrica se efectuaron con nanotubos de varias capas y mostraron que la resistividad variaba mucho de un nanotubo a otro, confirmando las predicciones teóricas de que las propiedades electrónicas dependían de la estructura de los nanotubos. Cuando se hicieron medidas con nanotubos de una sola capa —mediante una combinación de microscopía y espectroscopía de efecto túnel— se pudo comprobar directamente las relaciones entre la estructura y el comportamiento electrónico (Wildöer J.W.G. et al. (1998) Electronic structure of atomically resolved carbon nanotubes. Nature 391, 59-62; Odom T.W. et al. (1998) Atomic structure and electronic properties of single-walled carbon nanotubes. Nature 391, 62-64).

La experimentación ha sido más fácil con los nanotubos más abundantes; los quirales o retorcidos. De entre todas las geometrías posibles, sólo un tercio de ellas combina el diámetro correcto y el correspondiente grado de torsión para ser conductores. Los dos tercios restantes son semiconductores; existe un gap energético, E_g, en su estructura electrónica (como ya se comentó al citar los puntos cuánticos). Eso significa que necesitan una aportación adicional de energía —en forma de luz o de un voltaje— para que fluya la corriente. Esta energía E_g es función de la geometría del nanotubo. Variando el diámetro de estos nanotubos se puede variar E_g. Ningún otro material conocido puede afinarse con tanta precisión, propiedad que los hace muy atractivos para la industria electrónica. Las dificultades  surgen  a  la hora de fabricar de forma controlada nanotubos con una geometría predeterminada.

Ya se han construido transistores de efecto campo a partir de nanotubos de carbono (Tans S.J., Verschueren A.R., Dekker C. (1998) Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube. Nature 393, 49-52). En esencia, consisten en un nanotubo semiconductor con dos electrodos —uno en cada extremo para crear un canal por donde circulan los electrones— y un electrodo intermedio al que se le aplica un voltaje para activar o desactivar la corriente que fluye por el nanotubo. Este dispositivo funciona a temperatura ambiente con características electrónicas similares a los transistores comerciales de silicio y tiene la ventaja —por su pequeño tamaño— que consume menos energía. Estos conmutadores podrían trabajar mil veces más deprisa que los procesadores actuales.

En teoría se podrán fabricar diodos emisores de luz y láseres nanoscópicos a partir de nanotubos. También se podrán utilizar, con ventaja, como nanoconductores por su gran capacidad de transporte de corriente (estimada en 1000 millones de amperios/cm², cuando los hilos de cobre se funden con un millón de amperios/cm²) y su enorme conductividad calorífica (alrededor de 6000 W/mK, frente al diamante, considerado uno de los mejores conductores, con 3320 W/mK).

Por último se ha descubierto que los nanotubos de carbono también son superconductores (Tang Z.K. et al. (2001) Superconductivity in 4 angstrom single-walled carbon nanotubes. Science 292, 2462-2465). Los superconductores son materiales que pierden la resistencia clásica al paso de corriente por debajo de una cierta temperatura, llamada temperatura de transición o crítica. Por el momento, la temperatura de transición más alta registrada en nanotubos de carbono es de 15 K, demasiado baja para buscar aplicaciones prácticas, pero este descubrimiento disparó la carrera en busca de nanotubos de carbono superconductores a temperaturas más altas.

Estos interesantes resultados han fomentado muchas esperanzas en los nanotubos de carbono como componentes básicos de la nanoelectrónica. No cabe duda de que harán falta nuevas ideas si se quiere mantener el ritmo de miniaturización de las últimas cuatro décadas. Es posible miniaturizar un poco más los chips comerciales  y llegar hasta detalles de 100 nm pero, difícilmente, se podrá ir más allá usando la fotolitografía convencional. Cuando se llega a estas dimensiones conviene considerar las técnicas de fabricación que van de abajo hacia arriba (bottom-up) —ensamblando átomos o moléculas— en vez de apurar los procedimientos convencionales de miniaturización (top-down). Sin embargo, para fabricar un dispositivo que sea útil hace falta posicionar sobre un sustrato numerosos nanotubos con precisión casi atómica. La fabricación de estos nanomateriales es uno de los grandes desafios que tiene la nanotécnica y se comentará en la próxima entrada del blog.

Los nanotubos de carbono ofrecen oportunidades muy interesantes además de las electrónicas, porque son robustos y químicamente poco reactivos. El mundo de los nanotubos no se limita a los nanotubos de carbono, otros materiales capaces de formar láminas —como el nitruro de boro, compuestos de boro, carbono y nitrógeno, y el sulfuro de molibdeno— también pueden formar nanotubos y, a partir de ellos, se pueden fabricar nanotubos compuestos (Rubio A. (1997) Nanocomposite tubules: A new class of materials from theory. Condensed Matter News 6, 6-18.) encapsulando en su interior otros materiales —como el galio, en el nanotermómetro comentado al comienzo de este apartado—. Las posibles aplicaciones tecnológicas de los nanotubos son ilimitadas.