Nanotransistores sin Silicio/Nanotransistor without Silicon

Durante décadas, los dispositivos electrónicos han sido cada vez más y más y más pequeños. Hoy día es sencillo, e incluso rutinario  poner millones de transistores en un único chip de silicio.
Pero los transistores basados en semiconductores no pueden ir más allá. Según el físico Yoke Khin Yap, de la Universidad Tecnológica de Michigan "Al ritmo que progresa la tecnología actual, en 10 o 20 años, no seremos capaces de hacer algo más pequeño”, y continúa "además, los semiconductores tienen otra desventaja: pierden mucha energía en forma de calor."
Los científicos han experimentado con diferentes materiales y diseños de transistores para abordar estas cuestiones, pero siempre utilizando semiconductores como el silicio. Ya en 2007, Yap buscaba algo diferente que pudiera abrir la puerta a una nueva era de la electrónica. "La idea era hacer un transistor a nanoescala con metales a nanoescala en la parte superior . Eso puede hacerse, si se coge un trozo de plástico, y se extiende de la forma adecuada, polvo metálico por encima. Pero queríamos hacerlo a nanoescala. Así que elegimos un aislante de nanotubos de nitruro de boro como sustrato (BNNT)"
El equipo de Yap había descubierto como fabricar alfombras virtuales de BNNT que resultaron ser aislantes y muy resistentes a la carga eléctrica. Utilizando láseres, se colocaron puntos cuánticos de oro (QD) de 3 nm de diámetro encima de los BNNNt formando QD-BNNT. Los nanotubos de nitruro de boro han esultado ser sustratos perfectos para los puntos cuánticos, debido a su naturaleza aislante y sobre todo a su diámetro pequeño, uniforme y controlable..
Al colocar electrodos a temperatura ambiente en los extremos de los QD-BNNT, con ayuda de científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, sucedió algo muy interesante: los electrones saltaban con precisión de un punto de oro a otro, un fenómeno conocido como túnel cuántico
“Imaginemos que los los nanotubos son un río, con une un electrodo en cada orilla. Ahora imaginemos que hay piedras muy delgadas en el lecho del río. Los electrones saltan de piedra en piedra y como éstas son tan pequeñas, solo puede haber un electrón encima cada vez, y todos los electrones saltan de la misma forma, por lo que el artefacto es estable"
El equipo de Yap había construido un transistor sin usar semiconductores. Si el voltaje aplicado es grande, el artefacto conduce la corriente, pero cuando es bajo o se desconecta, el sistema vuelve a su estado aislante natural. Además, no hayfugas de electrones desde los puntos de oro, por lo que el canal conductor siempre permanece frío. Por el contrario, el silicio sufre fugas que consumen energía y hace que los artefactos electrónicos habituales generen gran cantidad de calor. Esto permite que el sistema de Yap opere a temperatura ambiente y no a la temperatura del helio líquido como hacen otros sistemas que aprovechan el efecto túnel.
La clave es el tamaño submicroscópico: una micra de largo y unos 20 nm de ancho que puede en teoría reducirse aún más, si se disminuye la distancia entre los puntos de oro hasta fracciones de una micra.
El equipo de Yap ha patentado su descubrimiento a nivel internacional

For decades, electronic devices have been getting smaller, and smaller, and smaller. It’s now possible—even routine—to place millions of transistors on a single silicon chip.
But transistors based on semiconductors can only get so small. “At the rate the current technology is progressing, in 10 or 20 years, they won’t be able to get any smaller,” said physicist Yoke Khin Yap of Michigan Technological University. “Also, semiconductors have another disadvantage: they waste a lot of energy in the form of heat.”
Scientists have experimented with different materials and designs for transistors to address these issues, always using semiconductors like silicon. Back in 2007, Yap wanted to try something different that might open the door to a new age of electronics.“The idea was to make a transistor using a nanoscale insulator with nanoscale metals on top,” he said. “In principle, you could get a piece of plastic and spread a handful of metal powders on top to make the devices, if you do it right. But we were trying to create it in nanoscale, so we chose a nanoscale insulator, boron nitride nanotubes, or BNNTs for the substrate.”
Yap’s team had figured out how to make virtual carpets of BNNTs,which happen to be insulators and thus highly resistant to electrical charge. Using lasers, the team then placed quantum dots (QDs) of gold as small as three nanometers across on the tops of the BNNTs, forming QDs-BNNTs. BNNTs are the perfect substrates for these quantum dots due to their small, controllable, and uniform diameters, as well as their insulating nature. BNNTs confine the size of the dots that can be deposited.
In collaboration with scientists at Oak Ridge National Laboratory (ORNL), they fired up electrodes on both ends of the QDs-BNNTs at room temperature, and something interesting happened. Electrons jumped very precisely from gold dot to gold dot, a phenomenon known as quantum tunneling. “Imagine that the nanotubes are a river, with an electrode on each bank. Now imagine some very tiny stepping stones across the river,” said Yap. “The electrons hopped between the gold stepping stones. The stones are so small, you can only get one electron on the stone at a time. Every electron is passing the same way, so the device is always stable.”
Yap’s team had made a transistor without a semiconductor. When sufficient voltage was applied, it switched to a conducting state. When the voltage was low or turned off, it reverted to its natural state as an insulator. Furthermore, there was no “leakage”: no electrons from the gold dots escaped into the insulating BNNTs, thus keeping the tunneling channel cool. In contrast, silicon is subject to leakage, which wastes energy in electronic devices and generates a lot of heat. This allows the Yap’s de vice to operate at room temperature and not at liquid helium as make other devices ualso using tunneling effect.
The secret to Yap’s gold-and-nanotube device is its submicroscopic size: one micron long and about 20 nanometers wide, and the size could theoretically  further reduce if the the distance between dots is lreduced to a small fraction of a micron.
Yap has filed for a full international patent on the technology

Tomado de/Taken from University of Michigan

Resumen de la publicación/Abstract of the paper
Lee, C. H., Qin, S., Savaikar, M. A., Wang, J., Hao, B., Zhang, D., Banyai, D., Jaszczak, J. A., Clark, K. W., Idrobo, J.-C., Li, A.-P. and Yap, Y. K. (2013), Room-Temperature Tunneling Behavior of Boron Nitride Nanotubes Functionalized with Gold Quantum Dots. Adv. Mater.
 doi: 10.1002/adma.201301339
One-dimensional arrays of gold quantum dots (QDs) on insulating boron nitride nanotubes (BNNTs) can form conduction channels of tunneling field-effect transistors. We demonstrate that tunneling currents can be modulated at room temperature by tuning the lengths of QD-BNNTs and the gate potentials. Our discovery will inspire the creative use of nanostructured metals and insulators for future electronic devices.