Jiyoung Kim (izda.) y Kyeongjae Cho examinan una placa utilizada para hacer transistores. Fuente: UT Dallas.
Investigadores de la Universidad de Texas en Dallas (EE.UU.) han creado una tecnología que podría ser el primer paso hacia los ordenadores portátiles con fuentes de energía independientes o, más a corto plazo, un smartphone que no muere después de unas horas de uso intensivo.
Esta tecnología, publicada en Nature Communications, se nutre de la energía de un solo electrón para controlar el consumo de energía dentro de transistores, que son el núcleo de la mayoría de los sistemas electrónicos modernos.
Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación observaron que mediante la adición de una capa atómica específica de película delgada a un transistor, dicha capa actúa como un filtro para la energía que pasaba a través de él a temperatura ambiente. La señal que producía el dispositivo era de seis a siete veces más pronunciada que la de los dispositivos tradicionales.
"Toda la industria de los semiconductores está buscando este tipo de dispositivos, porque son clave para tener dispositivos móviles pequeños y potentes, con muchas funciones que operen de forma rápida sin tener que gastar una gran cantidad de energía de la batería", explica Jiyoung Kim, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en la Escuela y autor del artículo, en la nota de prensa de la universidad. "Nuestro dispositivo es una solución para que esto suceda."
Comportamiento único
Aprovechar el comportamiento único y sutil de un solo electrón es la forma más eficiente energéticamente para transmitir señales en dispositivos electrónicos. Al ser tan pequeña la señal, puede diluirse fácilmente por ruidos térmicos a temperatura ambiente. Para ver esta señal cuántica, los ingenieros y científicos que construyen dispositivos electrónicos utilizan normalmente técnicas de enfriamiento externo para compensar la energía térmica en el ambiente de los electrones. El filtro creado por los investigadores de UT Dallas es una vía para filtrar eficazmente el ruido térmico.
Kyeongjae "KJ" Cho, profesor de ciencia de los materiales y de ingeniería y física, y autor del trabajo, coincide en que los transistores hechos con esta técnica de filtrado podrían revolucionar la industria de los semiconductores. "Tener que enfriar la dispersión térmica en transistores modernos limita cuán pequeños pueden hacerse los productos electrónicos de consumo", explica Cho, que utiliza técnicas avanzadas de modelado para explicar los fenómenos de laboratorio. "Hemos ideado una técnica para enfriar los electrones internamente, lo que permite la reducción del voltaje de funcionamiento, para que podamos crear dispositivos aún más pequeños, más eficientes energéticamente."
Cada vez que un dispositivo como un teléfono inteligente o una tableta se activa, requiere electricidad. La reducción del voltaje de funcionamiento significaría vidas útiles más largas para estos productos y otros similares. Además, podrían llevarse puestos en la ropa, dado que no requerirían una fuente de energía exterior, entre otras cosas.
Para crear esta tecnología, los investigadores agregaron una película delgada de óxido de cromo al dispositivo. Esa capa, a temperatura ambiente de alrededor de 27º C, filtró a los electrones más fríos y estables y proporcionó estabilidad al dispositivo. Normalmente, la estabilidad se logra mediante el enfriamiento todo el dispositivo electrónico semiconductor a temperaturas criogénicas -aproximadamente -200º C.
Otra innovación utilizada para crear esta tecnología es un sistema de estratificación vertical, que es más práctico cuanto más pequeños son los dispositivos. "Una forma de reducir el tamaño del dispositivo es hacerlo vertical, de modo que la corriente fluya de arriba hacia abajo en lugar del tradicional izquierda a derecha", explica Kim.
Esta tecnología, publicada en Nature Communications, se nutre de la energía de un solo electrón para controlar el consumo de energía dentro de transistores, que son el núcleo de la mayoría de los sistemas electrónicos modernos.
Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación observaron que mediante la adición de una capa atómica específica de película delgada a un transistor, dicha capa actúa como un filtro para la energía que pasaba a través de él a temperatura ambiente. La señal que producía el dispositivo era de seis a siete veces más pronunciada que la de los dispositivos tradicionales.
"Toda la industria de los semiconductores está buscando este tipo de dispositivos, porque son clave para tener dispositivos móviles pequeños y potentes, con muchas funciones que operen de forma rápida sin tener que gastar una gran cantidad de energía de la batería", explica Jiyoung Kim, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería en la Escuela y autor del artículo, en la nota de prensa de la universidad. "Nuestro dispositivo es una solución para que esto suceda."
Comportamiento único
Aprovechar el comportamiento único y sutil de un solo electrón es la forma más eficiente energéticamente para transmitir señales en dispositivos electrónicos. Al ser tan pequeña la señal, puede diluirse fácilmente por ruidos térmicos a temperatura ambiente. Para ver esta señal cuántica, los ingenieros y científicos que construyen dispositivos electrónicos utilizan normalmente técnicas de enfriamiento externo para compensar la energía térmica en el ambiente de los electrones. El filtro creado por los investigadores de UT Dallas es una vía para filtrar eficazmente el ruido térmico.
Kyeongjae "KJ" Cho, profesor de ciencia de los materiales y de ingeniería y física, y autor del trabajo, coincide en que los transistores hechos con esta técnica de filtrado podrían revolucionar la industria de los semiconductores. "Tener que enfriar la dispersión térmica en transistores modernos limita cuán pequeños pueden hacerse los productos electrónicos de consumo", explica Cho, que utiliza técnicas avanzadas de modelado para explicar los fenómenos de laboratorio. "Hemos ideado una técnica para enfriar los electrones internamente, lo que permite la reducción del voltaje de funcionamiento, para que podamos crear dispositivos aún más pequeños, más eficientes energéticamente."
Cada vez que un dispositivo como un teléfono inteligente o una tableta se activa, requiere electricidad. La reducción del voltaje de funcionamiento significaría vidas útiles más largas para estos productos y otros similares. Además, podrían llevarse puestos en la ropa, dado que no requerirían una fuente de energía exterior, entre otras cosas.
Para crear esta tecnología, los investigadores agregaron una película delgada de óxido de cromo al dispositivo. Esa capa, a temperatura ambiente de alrededor de 27º C, filtró a los electrones más fríos y estables y proporcionó estabilidad al dispositivo. Normalmente, la estabilidad se logra mediante el enfriamiento todo el dispositivo electrónico semiconductor a temperaturas criogénicas -aproximadamente -200º C.
Otra innovación utilizada para crear esta tecnología es un sistema de estratificación vertical, que es más práctico cuanto más pequeños son los dispositivos. "Una forma de reducir el tamaño del dispositivo es hacerlo vertical, de modo que la corriente fluya de arriba hacia abajo en lugar del tradicional izquierda a derecha", explica Kim.
Pruebas
Los resultados de las pruebas de laboratorio mostraron que el dispositivo a temperatura ambiente tuvo una intensidad de señal de electrones similar a los dispositivos convencionales a menos 230º C. La señal mantuvo todas las demás propiedades. Los investigadores también probarán esta técnica sobre los electrones que son manipulados en medios optoelectrónicos y espintrónicaos -de luz y magnéticos-.
El siguiente paso es extender este sistema de filtrado a los semiconductores fabricados en tecnología Semiconductor Complementario de Óxido Metálico (CMOS, por sus siglas en inglés).
"La electrónica del pasado se basaba en los tubos de vacío", recuerda Cho. "Estos dispositivos eran grandes y requerían una gran cantidad de energía. Luego, pasó a basarse en transistores bipolares fabricados en tecnología CMOS. Ahora estamos de nuevo frente a una crisis energética, y ésta es una solución para reducir el gasto de energía a medida que los dispositivos se hacen más y más pequeños".
Un generador termoeléctrico de vidrio
Científicos de KAIST (Instituto Avanzado de Corea de Ciencia y Tecnología) desarrollaron un generador termoeléctrico de vidrio, que podría servir para suministrar energía a los dispositivos portátiles. Es extremadamente ligero y flexible, y produce electricidad a partir del calor del cuerpo humano.
Según informa el Instituto en una nota de prensa recogida por EurekAlert!, el nuevo generador tiene una estructura autosostenible de vidrio, y elimina sustratos externos gruesos que sujetan los materiales inorgánicos del mismo. Eso aumenta la energía suministrada y reduce su peso.
Los científicos coreanos esperan que su tecnología encuentre aplicaciones como automóviles, fábricas, aviones y embarcaciones.
Los resultados de las pruebas de laboratorio mostraron que el dispositivo a temperatura ambiente tuvo una intensidad de señal de electrones similar a los dispositivos convencionales a menos 230º C. La señal mantuvo todas las demás propiedades. Los investigadores también probarán esta técnica sobre los electrones que son manipulados en medios optoelectrónicos y espintrónicaos -de luz y magnéticos-.
El siguiente paso es extender este sistema de filtrado a los semiconductores fabricados en tecnología Semiconductor Complementario de Óxido Metálico (CMOS, por sus siglas en inglés).
"La electrónica del pasado se basaba en los tubos de vacío", recuerda Cho. "Estos dispositivos eran grandes y requerían una gran cantidad de energía. Luego, pasó a basarse en transistores bipolares fabricados en tecnología CMOS. Ahora estamos de nuevo frente a una crisis energética, y ésta es una solución para reducir el gasto de energía a medida que los dispositivos se hacen más y más pequeños".
Un generador termoeléctrico de vidrio
Científicos de KAIST (Instituto Avanzado de Corea de Ciencia y Tecnología) desarrollaron un generador termoeléctrico de vidrio, que podría servir para suministrar energía a los dispositivos portátiles. Es extremadamente ligero y flexible, y produce electricidad a partir del calor del cuerpo humano.
Según informa el Instituto en una nota de prensa recogida por EurekAlert!, el nuevo generador tiene una estructura autosostenible de vidrio, y elimina sustratos externos gruesos que sujetan los materiales inorgánicos del mismo. Eso aumenta la energía suministrada y reduce su peso.
Los científicos coreanos esperan que su tecnología encuentre aplicaciones como automóviles, fábricas, aviones y embarcaciones.
Referencia bibliográfica:
Pradeep Bhadrachalam, Ramkumar Subramanian, Vishva Ray, Liang-Chieh Ma, Weichao Wang, Jiyoung Kim, Kyeongjae Cho, Seong Jin Koh. Energy-filtered cold electron transport at room temperature. Nature Communications (2014). DOI: 10.1038/ncomms5745
Pradeep Bhadrachalam, Ramkumar Subramanian, Vishva Ray, Liang-Chieh Ma, Weichao Wang, Jiyoung Kim, Kyeongjae Cho, Seong Jin Koh. Energy-filtered cold electron transport at room temperature. Nature Communications (2014). DOI: 10.1038/ncomms5745