Flexión de potencia de un polímero conductor

Durante décadas, los transistores de efecto de campo alimentados por semiconductores basados ​​en silicio han impulsado la revolución electrónica. Pero en los últimos años, los fabricantes se han enfrentado a estrictos límites físicos para reducir aún más el tamaño y ganar en eficiencia de los chips de silicio. Es por eso que los científicos e ingenieros están buscando alternativas a los transistores semiconductores de óxido de metal (CMOS) convencionales.

“Los semiconductores orgánicos ofrecen varias ventajas distintas sobre los dispositivos semiconductores convencionales basados ​​en silicio: están hechos de elementos abundantemente disponibles, como carbono, hidrógeno y nitrógeno; ofrecen flexibilidad mecánica y bajo costo de fabricación; y se pueden fabricar fácilmente a gran escala”, señala Yon Visell, profesor de ingeniería de UC Santa Barbara que forma parte de un grupo de investigadores que trabajan con los nuevos materiales. “Quizás lo que es más importante, los propios polímeros se pueden fabricar utilizando una amplia variedad de métodos químicos para dotar a los dispositivos semiconductores resultantes de atractivas propiedades ópticas y eléctricas. Estas propiedades pueden diseñarse, ajustarse o seleccionarse de muchas otras maneras distintas de los transistores inorgánicos (por ejemplo, basados ​​en silicio).

La flexibilidad de diseño descrita por Visell se ejemplifica en la reconfigurabilidad de los dispositivos informados por investigadores de UCSB y otros en la revista Advanced Materials.

Los circuitos lógicos reconfigurables son de particular interés como candidatos para la electrónica post-CMOS, ya que permiten la simplificación del diseño del circuito al tiempo que aumentan la eficiencia energética. Una clase recientemente desarrollada de transistores basados ​​en carbono (a diferencia, por ejemplo, de silicio o de nitruro de galio), llamados transistores electroquímicos orgánicos (OECT, por sus siglas en inglés), ha demostrado ser muy adecuado para la electrónica reconfigurable.

En el artículo reciente, el profesor de química Thuc-Quyen Nguyen, quien dirige el Centro de Polímeros y Sólidos Orgánicos de la UCSB, y los coautores, incluido Visell, describen un material innovador, un conductor flexible de polímero a base de semicarbono, que puede ofrecer ventajas únicas. sobre los semiconductores inorgánicos que se encuentran actualmente en los transistores de silicio convencionales.

«Los dispositivos lógicos orgánicos reconfigurables son candidatos prometedores para las próximas generaciones de sistemas informáticos eficientes y electrónica adaptativa», escriben los investigadores. «Idealmente, tales dispositivos serían simples en estructura y diseño, [as well as] energéticamente eficiente y compatible con técnicas de microfabricación de alto rendimiento.

Conjugado de conductividad

Un polielectrolito conjugado, o CPE-K, consta de un esqueleto conjugado central, con enlaces simples y dobles alternados, y múltiples cadenas laterales cargadas con iones unidos. «Tener enlaces conjugados en todo el polímero lo hace conductivo, porque los electrones deslocalizados tienen una alta movilidad a lo largo del polímero», dice el autor principal Tung Nguyen-Dang, investigador postdoctoral en el laboratorio de Nguyen y codirigido por Visell. «Estás uniendo dos materiales clásicos, el polímero y el semiconductor, en este diseño molecular».

La inteligencia artificial (IA) ha desempeñado un papel en el desarrollo del hardware. «Puedes pasar por ensayo y error para hacer un material», dice Nguyen. «Puedes hacer un montón de ellos y esperar lo mejor, y tal vez uno de cada veinte funcione o tenga propiedades interesantes; sin embargo, trabajamos con un profesor de California State Northridge, Gang Lu, quien usó la IA para seleccionar bloques de construcción y realizar cálculos para tener una idea aproximada de cómo proceder, dado el nivel de energía y las propiedades que buscamos.

Comprender la reconfigurabilidad

Una de las principales ventajas de CPE-K es que permite puertas lógicas reconfigurables («modo dual»), lo que significa que se pueden cambiar sobre la marcha para operar en modo de agotamiento o acumulación, simplemente ajustando el Voltaje en la puerta. En el modo de agotamiento, la corriente a través del material activo entre el drenaje y la fuente es inicialmente alta, antes de que se aplique cualquier voltaje de compuerta (es decir, estado ENCENDIDO). Cuando se aplica el voltaje de la puerta, la corriente cae y el transistor pasa al estado APAGADO. El modo de acumulación es el opuesto: sin voltaje de compuerta, el transistor está en la posición de APAGADO y la aplicación de un voltaje de compuerta produce una corriente más alta, poniendo el dispositivo en el estado de ENCENDIDO.

«Las puertas lógicas electrónicas convencionales, que son los componentes básicos de todos los circuitos digitales que se encuentran en computadoras o teléfonos inteligentes, son hardware que solo hace el trabajo para el que fue diseñado», dice Nguyen. . «Por ejemplo, una puerta AND tiene dos entradas y una salida, y si las entradas que se le aplican son todas 1, entonces la salida será 1. De manera similar, una puerta NOR también tiene dos entradas y una salida, pero si todas las entradas se aplican son 1, entonces la salida será 0. Las compuertas electrónicas se implementan usando transistores, y reconfigurarlas (como cambiar de una compuerta AND a una compuerta NOR) requiere modificaciones invasivas, como el desmantelamiento, que generalmente es demasiado complicado para ser práctico.

“Las compuertas reconfigurables, como la que mostramos, pueden comportarse como ambos tipos de compuertas lógicas, cambiando de Y a NOR y viceversa cambiando solo el voltaje de la compuerta”, continúa. «Actualmente, en electrónica, la funcionalidad está definida por la estructura, pero en nuestro dispositivo, puede cambiar el comportamiento y convertirlo en algo más simplemente cambiando el voltaje que se le aplica. Si extendemos esta invención de una sola puerta a circuitos mucho más complejos compuesto por muchas de estas puertas reconfigurables, podemos imaginar un hardware poderoso que se puede programar con muchas más características que los circuitos convencionales con la misma cantidad de transistores.

Otra ventaja de los OECT basados ​​en CPE-K es que pueden operar a voltajes muy bajos, lo que los hace adecuados para su uso en dispositivos electrónicos personales. Esto, combinado con su flexibilidad y biocompatibilidad, hace que el material sea un candidato probable para biosensores implantados, dispositivos portátiles y sistemas informáticos neuromórficos en los que los OECT podrían servir como sinapsis artificiales o memorias no volátiles.

«Nuestro colega está construyendo dispositivos que pueden monitorear la caída en los niveles de glucosa en el cerebro que ocurre justo antes de una convulsión», dice Nguyen de un colaborador de la Universidad de Cambridge en Inglaterra. «Y después de la detección, otro dispositivo, un dispositivo de microfluidos, administrará un medicamento localmente para detener el proceso antes de que suceda».

Los dispositivos fabricados con CPE-K exhiben dopaje y desdopaje simultáneos según el tipo de iones, según Nguyen. «Haces el dispositivo y lo pones en un electrolito líquido: cloruro de sodio [i.e., table salt] disuelto en agua”, dice. “Luego, puede hacer que el sodio migre a la capa activa de CPE-K aplicando un voltaje positivo a la puerta. Alternativamente, puede cambiar la polaridad del voltaje de la puerta y hacer que el cloruro migre a la capa activa. Cada escenario produce un tipo diferente de inyección de iones, y estos iones diferentes nos permiten cambiar los modos de funcionamiento del dispositivo.

El dopaje automático también simplifica el proceso de fabricación al eliminar el paso adicional de agregar dopantes. «A menudo, cuando agrega un dopante, no se distribuye uniformemente en todo el volumen del material», dice Nguyen. “Los dopantes orgánicos tienden a agruparse en lugar de dispersarse. Pero debido a que nuestro material no necesita este paso, no se encuentra con el problema de la distribución desigual de los dopantes. También omite todo el proceso de optimizar el dopante y determinar la mezcla y las proporciones correctas, lo que agrega pasos y complica el procesamiento.

El equipo también desarrolló un modelo físico para el dispositivo que explica su mecanismo operativo y predice correctamente su comportamiento en ambos modos de operación, demostrando que el dispositivo hace lo que parece hacer.

Visell concluye: “Esta notable nueva tecnología de transistores es un ejemplo perfecto de las asombrosas capacidades de computación y electrónica que son posibles gracias a la investigación convergente en química, física, materiales e ingeniería eléctrica.