Flexionar el poder de un polímero conductor

"Los semiconductores orgánicos ofrecen varias ventajas sobre los dispositivos semiconductores convencionales basados en el silicio: se fabrican a partir de elementos disponibles en abundancia, como el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno; ofrecen flexibilidad mecánica y bajo coste de fabricación; y pueden fabricarse fácilmente a escala", señala el profesor de ingeniería de la UC Santa Bárbara Yon Visell, que forma parte de un grupo de investigadores que trabajan con los nuevos materiales. "Y lo que es más importante, los propios polímeros pueden elaborarse mediante una amplia variedad de métodos químicos para dotar a los dispositivos semiconductores resultantes de interesantes propiedades ópticas y eléctricas. Estas propiedades pueden diseñarse, ajustarse o seleccionarse de muchas más maneras que los transistores inorgánicos (por ejemplo, los basados en el silicio)".

La flexibilidad de diseño que describe Visell se ejemplifica en la reconfigurabilidad de los dispositivos de la que informan los investigadores de la UCSB y otros en la revista Advanced Materials.

Los circuitos lógicos reconfigurables son especialmente interesantes como candidatos a la electrónica post-CMOS, ya que permiten simplificar el diseño de los circuitos y aumentar la eficiencia energética. Una clase de transistores basados en el carbono (a diferencia de los basados en el silicio o el nitruro de galio, por ejemplo), denominados transistores electroquímicos orgánicos (OECT), ha demostrado ser muy adecuada para la electrónica reconfigurable.

En el reciente artículo, el catedrático de química Thuc-Quyen Nguyen, , que dirige el Centro de Polímeros y Sólidos Orgánicos de la UCSB, y sus coautores, entre los que se encuentra Visell, describen un material innovador -un polímero blando semiconductor a base de carbono- 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. "Lo ideal sería que estos dispositivos tuvieran una estructura y un diseño sencillos, [así como] fueran eficientes desde el punto de vista energético y compatibles con las técnicas de microfabricación de alto rendimiento".

Conjugación para la conductividad

Un polielectrolito conjugado, o CPE-K, consta de una columna vertebral central conjugada, con enlaces simples y dobles alternados, y múltiples cadenas laterales cargadas con iones unidos. "El hecho de tener enlaces conjugados en todo el polímero lo hace conductor, porque los electrones deslocalizados tienen una gran movilidad a lo largo del polímero", explica el autor principal, Tung Nguyen-Dang, investigador postdoctoral del laboratorio de Nguyen y coasesor de Visell. "Se están casando dos materiales clásicos, el polímero y el semiconductor, en este diseño molecular".

La inteligencia artificial (IA) desempeñó un papel en el desarrollo del material. "Se puede proceder 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, que utilizó la IA para seleccionar bloques de construcción y hacer cálculos para tener una idea aproximada de cómo proceder, dado el nivel de energía y las propiedades que pretendíamos."

Calculando la reconfigurabilidad

Una de las principales ventajas del CPE-K es que permite reconfigurar las puertas lógicas ("modo dual"), lo que significa que pueden cambiarse sobre la marcha para que funcionen en modo de agotamiento o de acumulación, simplemente ajustando el voltaje en la puerta. En el modo de agotamiento, la corriente que fluye a través del material activo entre el drenaje y la fuente es inicialmente alta, antes de la aplicación de cualquier tensión de puerta (también conocido como estado ON). Cuando se aplica la tensión de puerta, la corriente disminuye y el transistor pasa al estado OFF. El modo de acumulación es lo contrario: sin tensión de puerta, el transistor está en posición OFF, y la aplicación de una tensión de puerta produce una corriente más alta, lo que hace que el dispositivo pase al estado ON.

"Las puertas lógicas electrónicas convencionales, que son los bloques de construcción de todos los circuitos digitales que se encuentran en los ordenadores o los teléfonos inteligentes, son equipos que sólo hacen el trabajo para el que están diseñados", dice Nguyen. "Por ejemplo, una puerta AND tiene dos entradas y una salida, y si las entradas que se le aplican son todas 1, la salida será 1. Del mismo modo, una compuerta NOR también tiene dos entradas y una salida, pero si todas las entradas que se le aplican son 1, la salida será 0. Las compuertas electrónicas se implementan mediante transistores, y reconfigurarlas (como cambiar de una compuerta AND a una NOR) requiere una modificación invasiva, como el desmontaje, que suele ser demasiado complicada para ser práctica.

"Las compuertas reconfigurables, como la que mostramos, pueden comportarse como ambos tipos de compuertas lógicas, cambiando de AND a NOR y viceversa con sólo cambiar el voltaje de la compuerta", continúa. "En la actualidad, en la electrónica, la funcionalidad se define por la estructura, pero en nuestro dispositivo se puede cambiar el comportamiento y convertirlo en otra cosa con sólo cambiar el voltaje que se le aplica. Si ampliamos esta invención de una sola puerta a circuitos mucho más complejos compuestos por muchas de estas puertas reconfigurables, podemos imaginar un potente hardware que puede programarse con muchas más funcionalidades que los convencionales que tienen el mismo número de transistores."

Otra ventaja de los OECT basados en CPE-K es que pueden funcionar a voltajes muy bajos, lo que los hace aptos para su uso en electrónica personal. Esto, combinado con su flexibilidad y biocompatibilidad, convierte al material en un posible candidato para biosensores implantados, dispositivos portátiles y sistemas informáticos neuromórficos en los que los OECT podrían servir de sinapsis artificiales o memorias no volátiles.

"Nuestro colega está fabricando dispositivos que pueden controlar la caída del nivel de glucosa en el cerebro que se produce justo antes de un ataque", explica Nguyen sobre un colaborador de la Universidad de Cambridge (Inglaterra). "Y tras la detección, otro dispositivo -un dispositivo microfluídico- administrará un fármaco localmente para detener el proceso antes de que se produzca".

Según Nguyen, los dispositivos fabricados con CPE-K se dopan y desdoblan simultáneamente en función del tipo de iones. "Se fabrica el dispositivo y se pone en un electrolito líquido: cloruro de sodio [es decir, sal de mesa] disuelto en agua", explica. "A continuación, se puede hacer que el sodio migre a la capa activa del CPE-K aplicando una tensión positiva en la puerta. También se puede cambiar la polaridad de la tensión de la puerta y hacer que el cloruro migre a la capa activa. Cada escenario produce un tipo diferente de inyección de iones, y esos diferentes iones son los que nos permiten cambiar los modos de funcionamiento del dispositivo".

El autodopaje también simplifica el proceso de fabricación al eliminar el paso adicional de añadir dopantes. "Muchas veces, cuando se añade un dopante, no se distribuye uniformemente por todo el volumen del material", dice Nguyen. "Los materiales de dopaje orgánico tienden a agruparse en lugar de dispersarse. Pero como nuestro material no necesita ese paso, no te encuentras con el problema de la distribución desigual del dopante. También se evita todo el proceso de optimización del dopante y de determinación de la mezcla y las proporciones adecuadas, todo lo cual añade pasos y complica el procesamiento".

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

Visell concluye: "Esta nueva y notable tecnología de transistores es un ejemplo ideal de las sorprendentes funcionalidades electrónicas y de computación que se están logrando gracias a la investigación convergente en química, física, materiales e ingeniería eléctrica."