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Nanotecnologia y la electronica




  1. Resumen
  2. Introducción
  3. Definición
  4. Nanotecnología avanzada
  5. Aplicaciones
  6. Conclusiones
  7. Bibliografía

Resumen

En los últimos años, la Nanotecnología se ha transformado en uno de los más importantes y apasionantes campos de evolución en Física, Química, Ingeniería y Biología. Resulta prometedora en el sentido de que en un futuro cercano nos suministrará muchos avances que cambiarán los logros tecnológicos en un amplio campo de aplicaciones como lo es la ingeniería electrónica, mas aun si a esta se la fusiona con ramas importantes como la es la química, física etc. Se llegara a decir que la nanotecnología representaría una nueva revolución industrial

Introducción[1]

En la actualidad las nanotecnologías incluyen un conjunto de disciplinas y técnicas orientadas al estudio y manipulación de la materia a escala manométrica, es decir a escala de átomos, moléculas y estructuras moleculares.

El padre de la nanociencia, es considerado Richard Feynman, premio Nobel de Física, quién en 1959 propuso fabricar productos en base a un reordenamiento de átomos y moléculas. En 1959, el gran físico escribió un artículo que analizaba cómo los ordenadores trabajando con átomos individuales podrían consumir poquísima energía y conseguir velocidades asombrosas.

Supondrá numerosos avances para muchas industrias y nuevos materiales con propiedades extraordinarias desarrollando materiales más fuertes que el acero pero con solamente diez por ciento el peso, nuevas aplicaciones informáticas con componentes increíblemente más rápidos o sensores moleculares capaces de detectar y destruir células cancerígenas en las partes más delicadas del cuerpo humano como el cerebro, entre otras muchas aplicaciones.

DESARROLLO

Definición

La nanotecnologia es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nano escala.

Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas. La nanotecnología promete soluciones vanguardistas y más eficientes para los problemas ambientales, así como muchos otros enfrentados por la humanidad.

Las innovaciones basadas en nanotecnología darán respuesta a gran número de los problemas y necesidades de la sociedad y suponen un desafío para las actividades industriales y económicas, hasta el punto de que se considera el motor de la próxima revolución industrial.

Nos interesa, más que su concepto, lo que representa potencialmente dentro del conjunto de investigaciones y aplicaciones actuales cuyo propósito es crear nuevas estructuras y productos que tendrían un gran impacto en la industria, la medicina, ingeniería, física y química

2.2 INVESTIGACION:

Algunos países en vías de desarrollo ya destinan importantes recursos a la investigación en nanotecnología. La nanomedicina es una de las áreas que más puede contribuir al avance sostenible del Tercer Mundo, proporcionando nuevos métodos de diagnóstico de enfermedades, mejores sistemas para la administración de fármacos y herramientas para la monitorización de algunos parámetros biológicos.

Las empresas tradicionales podrán beneficiarse de la nanotecnologia para mejorar su competitividad en sectores habituales, como textil, alimentación, calzado, automoción, construcción y salud. Lo que se pretende es que las empresas pertenecientes a sectores tradicionales incorporen y apliquen la nanotecnologia en sus procesos con el fin de contribuir a la sostenibilidad del empleo.

Nanotecnología avanzada

La nanotecnología avanzada, a veces también llamada fabricación molecular, es un término dado al concepto de ingeniería de nanosistemas (máquinas a escala nanométrica) operando a escala molecular. Se basa en que los productos manufacturados se realizan a partir de átomos. Las propiedades de estos productos dependen de cómo estén esos átomos dispuestos.

Aplicaciones

En el campo computacional se prevé que esta tecnología va a ser que los chips sean cada vez más pequeños y por consiguiente aumenten su capacidad de procesamiento, y es este campo donde se obtuvieron las primeras ideas acerca de lo que podría hacer la nanotecnologia, ya que los ingenieros de IBM a mediados de los 80´s propusieron dos tipos de tecnología de prueba proximal: AFM10 (atomic force microscope) y STM10 (scanning tunneling microscope) que como su nombre lo indica una se basa en el monitoreo microscópico y manipulación mediante una aguja electrónica pequeña (STM) y la otra en la manipulación molecular (AFM); siendo mediante estas tecnologías la que se basa IBM para el grabado de su logo en los chips electrónicos. Los primeros productos serán seguramente materiales de construcción superfuertes a una nanoescala, tales como los tubos Bucky propuestos por el Dr. Richard E. Smalley, profesor de química y física de la Universidad de Rice. Los Buckytubes son tubos de forma de malla de gallinero hecho de moléculas de carbón de forma de domo geodésico, llamados Buchyballs por Buckminster Fuller. Estos tubos son esencialmente fibras de grafito de tamaño de nanómetros, y su dureza es 100 a 150 veces más que el acero, con un cuarto del peso de este.

2.4.1 NANOELECTRONICA

El objetivo básicamente es fabricar circuitos con mayor capacidad de computación y de almacenamiento de la información y dispositivos de memoria nanométricos.

2.4.1.1 MEMORIAS MRAM

La electrónica convencional codi?ca los datos informáticos basados en un sistema binario de unos y ceros, dependiendo de si los electrones circulan o no dentro del material. Pero, por principio, la dirección en que un electrón gira en un sentido o en el otro puede también ser utilizada como información.

Así que la espintrónica puede efectivamente permitir a las computadoras almacenar y transferir el doble de datos por electrón. Una vez que un campo magnético empuje un electrón en un sentido de rotación, mantendrá el sentido de rotación hasta que otro campo magnético provoque el cambio. Este efecto se puede utilizar para tener acceso muy rápidamente a información almacenada magnéticamente durante una operación informática, incluso si la corriente eléctrica se ha interrumpido entre dos sesiones de trabajo. Los datos se pueden almacenar permanentemente y están casi inmediatamente disponibles en cualquier momento, sin ser necesario un prolongado proceso de arranque.

Una de las aplicaciones con mayor interés de la espintrónica es el caso de las memorias MRAM (Magnetic Random Access Memory), cuya traducción literal sería "memoria magnética de acceso aleatorio". Estas memorias han sido recientemente desarrolladas por la empresa Freestyle, habiéndose convertido su chip de memoria MR2A16A en el primer dispositivo MRAM en el mercado.

La aparición de esta nueva tecnología para el almacenamiento de información supone un avance radical con respecto a la memoria RAM, ya que ésta necesita que, con una determinada periodicidad, se reescriba en cada celda de memoria su contenido actual, mientras que la memoria MRAM mantiene la información en bits dentro de minúsculos campos magnéticos. La MRAM supone un gran ahorro de energía al no necesitar ningún tipo de alimentación eléctrica.

Otras ventajas de las memorias MRAM frente a las RAM son que (i) no se pierden datos cuando se apaga el terminal y (ii) es más rápida y resistente. Todo esto hace que su aplicación resulte muy atractiva para distintos dispositivos, desde ordenadores hasta cámaras digitales.

2.4.1.2 LASER DE PUNTO CUÁNTICO

Un láser es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza controlados.

El principio de funcionamiento de un láser es sencillo, la energía bombeada al láser excita los electrones de un material ópticamente activo y provoca el movimiento de estos electrones entre la banda de valencia y la banda de conducción, emitiendo de forma simultánea de fotones. Estos fotones son re?ejados por el espejo re?ectante al 100% e impactan de nuevo sobre el material óptico estimulando de nuevo la emisión de más fotones.

En los materiales no nano estructurados, las bandas de valencia y conducción constituyen un continuo siendo, el abanico de niveles de energía disponibles para el movimiento de los electrones entre dichas bandas muy numeroso. Esto da lugar a un amplio número de longitudes de onda de emisión.

Los láseres de punto cuántico son un tipo revolucionario de láseres que son signi?cativamente superiores en prestaciones a los láseres de semiconductores clásicos en aspectos tales como la operación independiente de la temperatura, el bajo consumo energético, la transmisión a larga distancia y rápidas velocidades.

Con?nando las dimensiones de un semiconductor en tres dimensiones para formar un láser de punto cuántico se consigue restringir las longitudes de onda de emisión de forma más estrecha de lo que se puede conseguir en los láseres convencionales. De esta forma la longitud de onda es determinada por el tamaño del cristal y se puede consiguientemente crear láseres a medida.

Las aplicaciones de estos láseres incluyen, entre otras, los lectores de CDs, lectores de códigos de barras e impresoras láser

2.4.1.3 NANOELECTRÓNICA BASADA EN NANOTUBOS DE CARBONO

Como es bien conocido, los nanotubos de carbono poseen propiedades electrónicas y mecánicas excepcionales cuando son comparados con materiales convencionales. En cuanto a las primeras, el control de su diámetro permite obtener estructuras metálicas o semiconductoras, lo que abre un interesante campo de aplicación en el mundo de la Nanoelectrónica.

Además, su alta conductividad térmica podría solventar el problema de disipación existente actualmente en dispositivos nanoelectrónicos.

El principal problema de cara a la obtención de estos dispositivos reside en la actualidad en la fabricación de los mismos. Por un lado, el gap entre los niveles energéticos de los nanotubos es dependiente de su calidad, siendo altamente complicada la fabricación de estructuras con valores predeterminados y repetibles. Por otro lado, el alineamiento de los nanotubos, esencial para el buen funcionamiento del sistema, precisa de técnicas de crecimiento so?sticadas.

A pesar de estas di?cultades, existen hoy en día prototipos de nanosistemas electrónicos basados en nanotubos de carbono. El más conocido de ellos es el llamado CNT-FET (Carbon nanotube-based Field Effect Transistor) que ha sido recientemente considerado como el más candidato para sustituir la tecnología CMOS en un futuro. De manera resumida, los CNTFET son dispositivos basados en la unión de los dos electrodos de metal de un transistor mediante un nanotubo de carbono, haciendo los primeros las veces de terminal y controlando de este modo el funcionamiento del nanotubo (conducción o no conducción) al aplicar una tensión.

Grafica 2.4.1.3 Simulación de un CNTFET

2.4.1.4 MONITORES LCD BASADOS EN NANOTUBOS DE CARBONO

Los cientí?cos esperan que los nanotubos de carbono puedan ser utilizados en la fabricación de pantallas de cristal líquido (LCD) a nivel comercial. A día de hoy, ya se han desarrollado pantallas prototipo de 15 pulgadas. Esta tecnología es escalable, por lo que será posible fabricar pantallas de gran tamaño con una mayor calidad de imagen y durabilidad que las actuales, disminuyendo a la vez los costos de fabricación.

2.4.1.5. CIRCUITOS ÓPTICOS INTEGRADOS: APLICACIÓN A MODULADORES Y CONMUTADORES ÓPTICOS

El tratamiento de señales ópticas representa cada vez un papel más importante en las actuales tecnologías de la medida y la comunicación. Aspectos como la generación de señales, su modulación, su medida y su direccionamiento son ya imprescindibles en todos los dispositivos tecnológicos basados en la fotónica, en lugar de la electrónica.

En este tipo de tecnología, las ópticas son ampliamente utilizadas para conducir la luz a lo largo de grandes distancias pero, para el tratamiento preciso de esa luz, es necesario disponer de dispositivos y circuitos ópticos integrados. La tecnología de la óptica integrada permite realizar de forma e?ciente todas las tareas de modulación, enrutamiento o conmutación necesarias en cualquier plataforma de comunicaciones ópticas.

El elemento fundamental de la óptica integrada son las guías ópticas, que se pueden fabricar mediante el uso de gran variedad de técnicas y materiales.

En el laboratorio de Óptica Integrada de la Universidad de Oviedo se fabrican guías ópticas integradas sobre vidrio mediante la técnica del intercambio iónico, y sobre niobato de litio mediante intercambio protónico.

El niobato de litio es un material electroóptico, que lidera en la actualidad la fabricación de dispositivos de comunicaciones ópticas, y en los que ha demostrado una gran aplicabilidad y . Las técnicas que utiliza el laboratorio en la fabricación de estos dispositivos abarcan desde los procesos fotolitográ?cos en la microescala hasta la caracterización experimental completa de los elementos fabricados.

Actualmente, en el laboratorio se investigan los moduladores electroópticos Mach-Zehnder en niobato de litio. Estos dispositivos se basan en un interferómetro integrado sobre un sustrato de niobato de litio en el que, mediante la aplicación de un campo eléctrico, se consigue modular una señal óptica.

De esta forma, se puede transmitir una señal digital desde un soporte electrónico a un soporte óptico. La implementación de estos dispositivos requiere el tratamiento de señales eléctricas de alta frecuencia y su adaptación e interacción con las guías ópticas.

La misma tecnología empleada en los moduladores permite la fabricación de conmutadores ópticos, en los que la luz que entra en el dispositivo se puede dirigir a voluntad hacia distintas salidas. Este efecto se puede utilizar para multiplexar/demultiplexar señales ópticas o enrutar éstas a alta frecuencia.

Las técnicas de modulación de fase o de amplitud, también son utilizadas en dispositivos sensores industriales como, por ejemplo, los medidores de corriente eléctrica en estructuras metálicas o los giroscopios ópticos.

2.4.1.6 SUPERLENTES

Todo microscopio óptico tiene un límite de resolución. Dicho límite implica que no se pueden resolver imágenes con un detalle inferior a, aproximadamente, la longitud de onda de la radiación utilizada. Para la microscopía óptica convencional, en la región del espectro visible, dicho límite sería por lo tanto del orden de varios centenares de nanómetros. Este hecho es una consecuencia de lo que se conoce en óptica como difracción, efecto que es común a la interacción de cualquier tipo de onda con objetos de tamaño similar a su longitud de onda. Por otro lado, en la inmediata proximidad de una super?cie, y en ciertas condiciones, pueden aparecer las denominadas "ondas evanescentes". Se trata de ondas electromagnéticas que se propagan paralelamente a la super?cie del material, pero cuya intensidad decrece muy rápidamente conforme nos alejamos de la misma, siendo despreciable a distancias del orden de la longitud de onda de la radiación electromagnética. Las "ondas evanescente" podrían ser utilizadas para obtener imágenes ópticas con mayor resolución que las obtenidas por microscopios ópticos convencionales. El principal problema en este sentido es su detección.

Un método utilizado en los últimos años consiste en acercar a distancias nanométricas de una super?cie una óptica convenientemente adelgazada. Es lo que se conoce como "Microscopía de Campo Cercano" o SNOM.

Sin embargo, muy recientemente (abril 2007), dos grupos de investigación de la Universidad de Maryland y de Berkeley, han conseguido mejorar dicha tecnología y llegar a resoluciones ópticas del orden de 70nm, desarrollando lo que se conoce como superlentes. Dichos dispositivos permiten recoger de forma efectiva la señal que proviene de las ondas evanescentes y su posterior tratamiento por lentes convencionales. Este hecho permitiría obtener imágenes ópticas de algo tan pequeño como un virus, una proteína o una cadena de DNA, lo cual era hasta la fecha imposible, y abre una nueva vía en la instrumentación óptica aplicada a la biología y la ciencia de super?cies. Las superlentes son un caso particular de lo que se conoce como metamateriales; materiales arti?ciales obtenidos mediante micro y nanoestructuración

Las superlentes son metamateriales que poseen una característica sorprendente: son materiales ópticos con índice de refracción negativo, contrariamente al caso de los materiales naturales (por ejemplo el vidrio) que lo presentan positivo.

Con este nuevo tipo de materiales se puede ampli?car convenientemente la débil señal que proviene de las ondas evanescentes que se propagan por la super?cie de la materia.

Los dos grupos de investigación estadounidenses han diseñado superlentes con dos geometrías diferentes. En un caso el dispositivo está constituido por anillos concéntricos de distintos polímeros depositados sobre una delgadísima lámina de oro. En un segundo caso se ha diseñado un dispositivo tridimensional formado por una estructura multicapa constituida por láminas alternas de plata y óxido de aluminio depositadas sobre una super?cie cilíndrica de cuarzo.

2.4.1.7 CRISTALES FOTÓNICOS

Los cristales fotónicos son nuevos materiales nanoestructurados que presentan propiedades exclusivas, ya aplicadas para ópticas.

Se trata de estructuras constituidas por variaciones periódicas en el índice de refracción del material que las constituye y con banda prohibida para fotones (o photonic bandgap, PBG). En analogía con las bandas electrónicas de sólidos ordenados (como los materiales semiconductores) donde la periodicidad atómica origina bandas o niveles de energía para los electrones, la distribución espacial de la constante dieléctrica en el caso de los cristales fotónicos origina una estructura de bandas para fotones. Estas bandas pueden diseñarse a voluntad (de forma análoga a la ingeniería de bandas en los materiales semiconductores), por lo que estas estructuras pueden impedir o favorecer la propagación de fotones con determinadas energías, produciendo efectos no observados en la óptica convencional. Tanto la periodicidad como las dimensiones físicas de las zonas de variación de la constante dieléctrica están relacionadas con la longitud de onda de los fotones que se propagan, exigiendo para estas zonas dimensiones en la escala de nanómetros para fotones con energías dentro del espectro visible e infrarrojo cercano

El creciente tráfico de datos en la red de telecomunicaciones (vídeo y audio en Internet) hace necesario el desarrollo de nuevas infraestructuras de mayor ancho de banda y velocidad (>100 Gb/s) mediante la implantación de arquitecturas ópticas en sustitución de los actuales subsistemas electrónicos.

En última instancia, será necesario disponer de dispositivos optoelectrónicos (LEDs y/o diodos láser) de ultra-alta velocidad integrados en chips capaces de intercomunicarse ópticamente. Por otra parte, estos dispositivos podrían ser la piedra angular de nuevos computadores ópticos que superen las limitaciones impuestas por la progresiva miniaturización de los actuales procesadores de silicio.

Las aplicaciones actuales de estos cristales incluyen la espectroscopía, metrología, biomedicina, imagen o telecomunicación.

Conclusiones

La nanotecnologia es una rama muy importante dentro de la visión de aplicaciones muy importantes en el futuro, esta se basa en reconocer que las partículas con tamaños inferiores a 100 nanómetros (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro) con?eren nuevas propiedades y nuevos comportamientos a las nanoestructuras que con ellas se construyan.

Esto sucede porque las partículas, que son menores que las longitudes características asociadas a un fenómeno particular, frecuentemente mani?estan una nueva química y física, lo que lleva a un nuevo comportamiento que depende del tamaño. Así, por ejemplo, se ha observado que la estructura electrónica, la conductividad, la reactividad, la temperatura de fusión y las propiedades mecánicas varían cuando las partículas alcanzan tamaños inferiores a cierto valor crítico. La dependencia del comportamiento con el tamaño de la partícula permite diseñar sus propiedades, se observado que con esta tecnología se pretende obtener logros muy importantes dentro de la electrónica, compitiendo con dispositivos básicos de este como son la tecnología led y la de los transistores FET, habilitando nuevos parámetros y funcionalidades

Es claro que esta la comercialización de esta tecnología en un futuro es muy alejada, pero no quiere decir que sus aplicabilidad sería muy interesante y beneficiosa por los efectos que cumpliera, aun mas cuando ha esta se la fusionara con ramas importantes como lo son las matemática, física, química, ingeniería etc.

Bibliografía

Páginas web:

[1] "Overview of Nanotechnology" - Adaptación de J. Storrs Hall de los textos de Ralph C. Merkle and K. Eric Drexler - http://nanotech.rutgers.edu/nanotech/intro.html

[2] "Aplicaciones industriales de la nanotecnología"

Proyecto NANO-SME - Tecnologías de la información y las telecomunicaciones (TIC"s)

http://www.idepa.es/sites/web/idepaweb/Repositorios/galeria_descarga_idepa/AplicacionesIndustriales_Nanotecnologia.pdf

 

 

Autor:

Carlos Xavier Méndez Marcillo

Universidad Politécnica Salesiana

Cuenca, Ecuador


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