Hacia la nanoelectrónica: modelos y mecanismos
En la electrónica y optoelectrónica modernas, la tendencia principal es ampliar el rango de frecuencia hacia los terahercios y el infrarrojo mediante la incorporación de nanotecnología. La nanoelectrónica, con componentes fundamentales que tienen las dimensiones de los átomos, permite aumentar la integración de componentes y reducir el consumo de potencia. Entre los nanomateriales que están recibiendo un fuerte interés se encuentran las nanoestructuras basadas en carbono, como los nanotubos de carbono (NTC) de pared simple o múltiple, las «cebollas» de carbono y el grafeno. En el proyecto financiado con fondos europeos CACOMEL (Nano-carbon based components and materials for high frequency electronics) se investigaron los efectos electromagnéticos, tanto lineales como no lineales, en componentes de carbono nanoestructurado empleados en nanocircuitos. Se llevaron a cabo estudios tanto teóricos como experimentales de los mecanismos físicos subyacentes. Los integrantes del proyecto desarrollaron un concepto de compatibilidad electromagnética (CEM) de los circuitos con componentes nanoscópicos basado en la electrodinámica clásica y la teoría del transporte cuántico en nanoestructuras. Los conceptos clásicos de la CEM se replantearon tomando en consideración las correlaciones cuánticas y la tunelización, así como las interacciones espín-espín y dipolo-dipolo. El concepto se ilustró con el ejemplo de interconexiones basadas en nanotubos de carbono. En el proyecto CACOMEL se obtuvo una primera evidencia experimental de resonancia plasmónica localizada en materiales compuestos que contenían nanotubos de carbono de pared simple (NTCPS), resonancia que era función de la longitud de los nanotubos. Los investigadores desarrollaron asimismo un método numérico para calcular la estructura electrónica de impurezas puntuales de los NTCPS. La comparación de las propiedades dieléctricas y electromagnéticas, en el rango de frecuencia de las microondas, de materiales compuestos basados en NTC tanto puros como dopados con nitrógeno mostró la importancia del dopaje. Las observaciones experimentales revelaron un aumento del electromagnetismo en los NTC dopados, lo que concuerda con el modelo teórico de «metalización» de NTC semiconductores. El transporte electrónico en las nanointerconexiones de carbono se modelizó con las matrices de nanocintas de grafeno y manojos de NTC. Esos modelos sirvieron también para estudiar los complejos problemas del nanoempaquetado. Los investigadores sintetizaron películas de carbono pirolítico, semitransparentes a nivel nanométrico y muy conductoras, sobre sustratos dieléctricos. Las películas tenían una absorción remarcablemente alta, de hasta un 50 % de la potencia incidente, lo que las convierte en un componente atractivo para aplicaciones de blindaje electromagnético. Por último, el estudio de las no linealidades de tercer orden en los NTCPS reveló fenómenos de localización de portadores y tunelización a través de las barreras aislantes entre regiones conductoras. En conjunto, el proyecto CACOMEL ha contribuido al desarrollo del nanoelectromagnetismo, una nueva disciplina de investigación importante para los sectores de las telecomunicaciones, la biomedicina y la ciberseguridad.
Palabras clave
Nanoelectrónica, carbono nanoestructurado, terahercio, nanotubos de carbono, grafeno
