El grafeno permite la colocación precisa de nanomateriales para integración industrial de dispositivos

Los nanomateriales ofrecen características ópticas y eléctricas inigualables y prometen una integración bottom-up en la fabricación de semiconductores convencional. Sin embargo, la deposición precisa y libre de contaminación en sitios designados del chip sigue siendo un obstáculo formidable. El grafeno —excepcionalmente delgado, robusto, flexible y altamente conductor— ofrece una solución transformadora.

En el grupo de Tecnología Industrial y Ciencia de IBM Research–Brasil, se desarrollan, aplican y escalan nanomateriales —partículas de una millonésima de milímetro— para uso en producción masiva. Hace tres décadas, observar y manipular átomos individuales era imposible; las técnicas modernas ahora permiten sondear y modelar el comportamiento a nanoescala.

En un nuevo artículo, «Graphene‑enabled and directed nanomaterial placement from solution for large‑scale device integration», publicado en Nature Communications, se demostró por primera vez que es posible electrificar grafeno para que deposite material en cualquier ubicación deseada sobre una superficie sólida con un rendimiento casi perfecto del 97 %.

El uso del grafeno de esta manera permite la integración de nanomateriales a escala de oblea con precisión nanométrica. No solo se puede depositar material en una ubicación nanoespecífica, sino que también se demostró que esto puede realizarse en paralelo en múltiples sitios, permitiendo la integración a gran escala. Este trabajo ha sido patentado (US9412815B2).

El grafeno es el material conductor más delgado que puede sostener campos eléctricos. Se aprovechan estos campos para guiar nanomateriales sobre una lámina de grafeno: la forma y el patrón diseñados del electrodo de grafeno dictan la colocación final. Esto brinda una precisión sin precedentes para construir nanomateriales. Los métodos tradicionales dependen de metales como el cobre, pero el cobre no puede eliminarse limpiamente tras el ensamblaje, poniendo en riesgo el rendimiento o destruyendo el nanomaterial. El grafeno ofrece tanto precisión como fácil remoción.

El método funciona independientemente de la geometría del nanomaterial —puntos cuánticos, nanotubos de carbono, nano láminas bidimensionales, etc. Se han fabricado transistores funcionales y evaluado su rendimiento. Más allá de la electrónica, la técnica puede aplicarse a la manipulación y atrapamiento de partículas en microfluídica lab-on-chip (US20170292934A1).

Los avances en la colocación de nanomateriales basada en grafeno podrían permitir celdas solares de próxima generación, procesadores más rápidos para smartphones y tabletas, y dispositivos cuánticos como emisores o detectores de luz cuántica controlados eléctricamente en chip. Tales dispositivos pueden emitir o detectar fotones individuales, esenciales para comunicaciones cuánticas seguras.

La evidencia de nuestra investigación indica que el grafeno puede integrar nanomateriales de formas que los materiales estándar no pueden, allanando el camino para la fabricación electrónica a escala industrial —un objetivo de la ambiciosa iniciativa Graphene Flagship. Al asociarse con la industria, se busca acelerar la generación de conocimiento, el desarrollo tecnológico y la adopción de este método de integración bottom-up.

Graphene‑enabled and directed nanomaterial placement from solution for large‑scale device integration. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-018-06604-4.