Los nanotubos de carbono logran flexibilidad y velocidad récord en electrónica

Durante las últimas décadas, la miniaturización implacable de transistores en obleas de silicio rígido ha impulsado ganancias de rendimiento sin precedentes en dispositivos personales y computación de alto nivel. Sin embargo, campos emergentes como la analítica de borde en tiempo real y el Internet de las Cosas exigen lógica de alto rendimiento y sensores que puedan adaptarse a superficies curvas, fabricación roll-to-roll y operación de bajo consumo. Los nanomateriales flexibles, particularmente los nanotubos de carbono (CNT), ofrecen una combinación atractiva de alta movilidad de portadores, bajo costo y escalabilidad que podría superar al silicio convencional en estas áreas. Sin embargo, hasta hace poco, los transistores de película delgada (TFT) de CNT en sustratos flexibles quedaban rezagados frente a sus contrapartes rígidas, con retardos de compuerta lógica superiores a 1 µs. Esta brecha se está cerrando gracias a avances de IBM Research.

Circuitos integrados CMOS flexibles basados en CNT con retardos de etapa sub-10 ns. En la imagen: Un oscilador en anillo CMOS flexible de 5 etapas fabricado sobre sustrato de poliamida. (Figuras 1b y 4a en «Flexible CMOS integrated circuits based on carbon nanotubes with sub‑10 ns stage delays», publicado en Nature Electronics)

En nuestra publicación reciente, Flexible CMOS integrated circuits based on carbon nanotubes with sub‑10 ns stage delays (Nature Electronics), demostramos que transistores TFT de CNT de alto rendimiento y lógica complementaria pueden realizarse en plataformas flexibles. Basándonos en décadas de investigación de IBM en electrónica de carbono, abordamos los desafíos centrales que han limitado los dispositivos flexibles de CNT: lograr una red de CNT semiconductores pura y densamente empaquetada; desarrollar un método robusto de dopaje tipo n para circuitos complementarios; y asegurar alto rendimiento y uniformidad del proceso en sustratos flexibles. Los TFT de CNT flexibles resultantes ofrecen méritos líderes en la industria: densidades de corriente superiores a 17 mA/mm, ratios ON/OFF arriba de 10⁶, pendientes subumbral bajo 200 mV/dec, movilidades cercanas a 50 cm²/Vs, y mantienen el rendimiento incluso cuando se enrollan alrededor de un dedo.

Aprovechando estos avances, construimos un oscilador en anillo CMOS de 5 etapas de referencia que opera con un retardo de etapa de apenas 5,7 ns —casi mil veces mejor que trabajos previos en CNT y el oscilador en anillo flexible más rápido reportado hasta la fecha en todas las plataformas de nanomateriales, incluyendo orgánicos, óxidos y nanocristales. Este hito demuestra que los CNT pueden sustentar lógica de alta velocidad en sustratos flexibles, abriendo puertas a computación de borde IoT, pantallas flexibles y redes de sensores que combinan bajo costo con rendimiento inigualable.

Sensor de presión flexible integrado con matriz activa de TFT de CNT. En la imagen: Mapeo de corriente de un sensor de presión flexible de CNT que se asemeja a la forma de sellos con la palabra «CNT». (Figura 4b en «Large‑area high‑performance flexible pressure sensor with carbon nanotube active matrix for electronic skin», publicado en Nano Letters)

En un estudio complementario, Large‑area high‑performance flexible pressure sensor with carbon nanotube active matrix for electronic skin (Nano Letters), fabricamos una matriz de 16×16 TFT de CNT que imita la sensibilidad táctil de la piel humana. El sensor totalmente integrado opera a solo 3 V, alcanza una resolución espacial de 4 mm, responde en menos de 30 ms —más rápido que la piel biológica— y detecta con precisión formas complejas en superficies tanto planas como curvas. Estos resultados ilustran la practicidad de la piel electrónica basada en CNT para robótica inteligente, prótesis e interfaces hombre-máquina de próxima generación.

Sobre el autor

El Dr. Jianshi Tang obtuvo su doctorado en Ingeniería Eléctrica en la Universidad de California, Los Ángeles, donde investigó la física de nanomateriales de baja dimensión como nanocables semiconductores, aislantes topológicos y nanoestructuras magnéticas. En 2015 se unió al Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM como investigador postdoctoral y fue promovido posteriormente a Miembro del Personal de Investigación. El enfoque actual del Dr. Tang es la electrónica de CNT de alto rendimiento y computación neuromórfica de bajo consumo, con el objetivo de traducir avances en nanomateriales en tecnologías industrialmente viables.