Esta ilustración conceptual de una computadora basada en moléculas 2D muestra una imagen de microscopio electrónico de barrido real de la computadora fabricada por un equipo por parte de investigadores de Penn State. Las características del teclado resaltadas etiquetadas con las abreviaturas para el disulfuro de molibdeno y el deselenuro de tungsteno, que representan los dos materiales 2D utilizados para desarrollar los transistores en la computadora. Crédito: Krishnendu Mukhopadhyay/Penn State
Silicon es el rey en la tecnología de semiconductores que sustenta los teléfonos inteligentes, las computadoras, los vehículos eléctricos y más, pero su corona puede estar resbalando, según un equipo dirigido por investigadores de Penn State.
En un mundo primero, utilizaron materiales bidimensionales (2D), que son solo un átomo de espesor y conservan sus propiedades a esa escala, a diferencia de Silicon, para desarrollar una computadora capaz de operaciones simples.
El desarrollo, publicado en Nature, representa un gran salto hacia la realización de la electrónica más delgada, más rápida y más eficiente en la energía, dijeron los investigadores.
Crearon una computadora complementaria de semiconductores de óxido de metal (CMOS), tecnología en el corazón de casi todos los dispositivos electrónicos modernos, sin depender del silicio.
En cambio, utilizaron dos materiales 2D diferentes para desarrollar ambos tipos de transistores necesarios para controlar el flujo de corriente eléctrica en las computadoras CMOS: disulfuro de molibdeno para transistores de tipo N y deselenuro de tungsteno para transistores de tipo P.
“Silicon ha impulsado avances notables en la electrónica durante décadas al permitir la miniaturización continua de los transistores de efectos de campo (FET)”, dijo Saptarshi Das, profesora de ingeniería de Ackley y profesor de ciencias de la ingeniería y mecánica en Penn State, que dirigió la investigación. El flujo de corriente de control de FET utilizando un campo eléctrico, que se produce cuando se aplica un voltaje.
“Sin embargo, a medida que se encogen los dispositivos de silicio, su rendimiento comienza a degradarse. Los materiales bidimensionales, por el contrario, mantienen sus propiedades electrónicas excepcionales en el grosor atómico, ofreciendo un camino prometedor hacia adelante”.
DAS explicó que la tecnología CMOS requiere semiconductores de tipo N y tipo P que trabajan juntos para lograr un alto rendimiento con un consumo de bajo consumo, un desafío clave que ha obstaculizado los esfuerzos para ir más allá de la silicio. Aunque estudios previos demostraron pequeños circuitos basados en materiales 2D, la escala a las computadoras funcionales complejas se habían mantenido difícil de alcanzar, dijo Das.
“Ese es el avance clave de nuestro trabajo”, dijo Das. “Hemos demostrado, por primera vez, una computadora CMOS construida completamente a partir de materiales 2D, que combina los transistores de disulfuro de molibdeno y tungsteno de gran área.
El equipo usó deposición de vapor químico metal-orgánico (MOCVD), un proceso de fabricación que implica vaporizar ingredientes, forzar una reacción química y depositar los productos en un sustrato, para cultivar grandes láminas de disulfuro de molibdeno y deselenuro de tungsteno y fabricar más de 1,000 de cada tipo de transistor.
Al ajustar cuidadosamente la fabricación del dispositivo y los pasos posteriores al procesamiento, pudieron ajustar los voltajes umbral de los transistores de tipo N y P, lo que permite la construcción de circuitos lógicos CMOS completamente funcionales.
Subir Ghosh, izquierda, y Saptarshi Das, derecha, lideraron un equipo en el desarrollo de una computadora complementaria de óxido de metal-semiconductor sin silicio capaz de operaciones simples. Se muestra entre ellos una imagen de microscopio de la computadora fabricada. Crédito: Penn State
“Nuestra computadora CMOS 2D opera a voltajes de bajo nivel con un consumo de energía mínimo y puede realizar operaciones lógicas simples a frecuencias de hasta 25 kilohertz”, dijo el primer autor Subir Ghosh, un estudiante doctoral que consigue un título en ciencias de la ingeniería y mecánica bajo la tutoría de DAS.
Ghosh señaló que la frecuencia operativa es baja en comparación con los circuitos CMOS de silicio convencionales, pero su computadora, conocida como una computadora establecida de instrucciones, aún puede realizar operaciones lógicas simples.
“También desarrollamos un modelo computacional, calibrado utilizando datos experimentales e incorporando variaciones entre dispositivos, para proyectar el rendimiento de nuestra computadora CMOS 2D y compararlo con la tecnología de silicio de última generación”, dijo Ghosh.
“Aunque sigue habiendo alcance para una mayor optimización, este trabajo marca un hito significativo en el aprovechamiento de materiales 2D para avanzar en el campo de la electrónica”.
Das estuvo de acuerdo, explicando que se necesita más trabajo para desarrollar aún más el enfoque de la computadora CMOS 2D para un uso amplio, pero también enfatizando que el campo se mueve rápidamente en comparación con el desarrollo de la tecnología de silicio.
“La tecnología de silicio ha estado en desarrollo durante unos 80 años, pero la investigación sobre materiales 2D es relativamente reciente, solo que realmente surge alrededor de 2010”, dijo Das.
“Esperamos que el desarrollo de computadoras materiales 2D también sea un proceso gradual, pero este es un salto hacia adelante en comparación con la trayectoria del silicio”.
Ghosh y Das acreditaron a la plataforma de innovación de materiales del consorcio de cristal 2D (2DCC-MIP) en Penn State por proporcionar las instalaciones y herramientas necesarias para demostrar su enfoque.
Das también está afiliado al Instituto de Investigación de Materiales, el 2DCC-MIP y los Departamentos de Ingeniería Eléctrica y de Ciencia e Ingeniería de Materiales, todos en Penn State.
Más información: Saptarshi Das, una computadora complementaria de un conjunto de instrucciones basado en material bidimensional, Naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41586-025-08963-7. www.nature.com/articles/s41586-025-08963-7
Proporcionado por la Universidad Estatal de Pensilvania
Cita: la primera computadora 2D no silicio del mundo desarrollada (2025, 11 de junio) recuperada el 11 de junio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-06-world-silicon-2d.html
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