La industria de
los semiconductores constituye la base de la actual economía en el
sector de la tecnología avanzada, puesto que por sí sola proporciona más
de cien mil empleos directos en Europa y muchos más de manera
indirecta. Ello se ha logrado a través de un proceso continuo de
miniaturización de la tecnología de metal-óxido-semiconductor
complementario (CMOS), fundamentada en el silicio. Sin embargo, este
modelo de actividad no pervivirá más de diez o quince años.
El principal reto para el sector de las tecnologías de la
información y la comunicación (TIC) consiste en hallar alternativas para
el procesado y almacenaje de información que superen las limitaciones
de la actual tecnología CMOS. Existen indicios fiables de que el grafeno
es un candidato fundamental para construir componentes «más allá del
CMOS». Además, pese a su carácter revolucionario, es un material
complementario a las tecnologías CMOS convencionales.
El grafeno ha motivado una intensa actividad científica en el último
decenio, desde que se iniciaran los experimentos pioneros con este
material tan novedoso, galardonados con el Premio Nobel de física en
2010 a los profesores Andre Geim y Kostya Novoselov de la Universidad de
Mánchester. El grafeno posee unas propiedades eléctricas sobresalientes
que pueden permitir que se superen las limitaciones físicas que
presenta el silicio ante el continuo proceso menguante de los
transistores, ofreciendo así soluciones para la época «más allá del
CMOS» muy necesarias para superar los desafíos que plantea la
competencia mundial.
En octubre de 2013 dio comienzo el proyecto emblemático GRAPHENE
(1), que abarca múltiples disciplinas y ha emprendido investigaciones
sobre una larga serie de temas, desde la comprensión a nivel fundamental
de las propiedades del grafeno hasta la producción de este material.
Las investigaciones propuestas cubren la electrónica, la espintrónica,
la fotónica, la plasmónica y la mecánica, disciplinas todas estas
basadas en el grafeno.
Esta iniciativa, coordinada por el profesor Jari Kinaret de la
Universidad Tecnológica Chalmers (Suecia), cuenta con la participación
de 126 grupos científicos académicos e industriales repartidos por 17
países europeos, sumando en total 136 investigadores principales, entre
ellos 4 premios Nobel. El consorcio responsable de GRAPHENE, que cuenta
con un presupuesto de 54 millones de euros para un período inicial de 30
meses, será ampliado con unos 20 o 30 grupos más a través de una convocatoria abierta de propuestas de proyectos en noviembre por un valor total de 9 millones de euros.
«Sin duda, un objetivo fundamental de nuestro proyecto es la
producción de grafeno», reconoció el profesor Kinaret en la inauguración
del proyecto, pero entre las aplicaciones fundamentales que se
estudiarán se encuentran dispositivos electrónicos y ópticos de gran
velocidad, electrónica flexible, componentes funcionales de peso ligero y
baterías avanzadas. Algunos ejemplos de productos nuevos posibilitados
por las tecnologías del grafeno son aparatos electrónicos de consumo
rápidos, flexibles y sólidos, tales como el papel electrónico, los
dispositivos de comunicación personales y plegables y aeronaves más
ligeras y con mayor eficiencia energética. A más largo plazo, se espera
que el grafeno genere nuevos paradigmas informáticos y aplicaciones
médicas revolucionarias como retinas artificiales.
Leva anclas el proyecto emblemático FET sobre el grafeno
Descritos por la Vicepresidenta de la Comisión Europea Neelie Kroes
como una «audacia», los proyectos emblemáticos FET (tecnologías futuras y
emergentes) son proyectos de investigación visionarios, a gran escala e
impulsados por la ciencia que abordan retos científicos y tecnológicos
de varias disciplinas. Estos nuevos instrumentos de la UE para la
financiación de la investigación impulsan esfuerzos coordinados entre
esta y los programas nacionales y regionales de sus Estados miembros.
Son muy ambiciosos y se fundamentan en una cooperación entre varios
campos del conocimiento, colectivos y programas, siendo necesario un
apoyo de hasta diez años de duración. Al término de la fase de arranque,
en marzo de 2016 y dentro del aún vigente Séptimo Programa Marco (7PM)
de investigación de la UE, los trabajos se prolongarán dentro del
siguiente programa, Horizonte 2020, a través del cual está previsto
otorgar anualmente 50 millones de euros al proyecto emblemático.
El grafeno se eligió como tema de un proyecto emblemático a raíz de
un concurso entre seis proyectos piloto destinados a investigar las
áreas que encerraban el mayor potencial en términos de una inversión
sostenida. En palabras de la propia Sra. Kroes: «La posición de Europa
como superpotencia del conocimiento depende de su capacidad para
concebir lo inconcebible y explotar las mejores ideas. Este concurso,
dotado de varios miles de millones de euros, premia los avances
científicos europeos y muestra que, cuando somos ambiciosos, podemos
realizar en Europa la mejor investigación».
El proyecto piloto emblemático dedicado al grafeno, llamado GRAPHENE-CA
(2), se dedicó a estudiar de qué manera los avances logrados con este
material basado en el carbono podrían revolucionar las TIC y la
industria en general. Los responsables de este proyecto piloto
establecieron un plan científico y tecnológico exhaustivo que debía
servir como base de las prioridades investigadoras del proyecto
GRAPHENE, abarcando la electrónica, la espintrónica, la fotónica, la
plasmónica y la mecánica, así como áreas auxiliares como la química y la
producción de grafeno. Estos fueron los argumentos de su elección.
Ahora que esta iniciativa emblemática se encuentra ya en marcha, cuenta con un equipo investigador de proporciones mareantes
. Participan universidades de Lovaina (Bélgica), Aalto (Finlandia),
Lille y Estrasburgo (Francia), Bremen, Chemnitz, Dresde y Hamburgo
(Alemania), Ioannina (Grecia), Dublín (Irlanda), Trieste (Italia), Minho
(Portugal), Barcelona y Castilla-La Mancha (España), Basilea, Ginebra y
Zúrich (Suiza), Delft y Groningen (Países Bajos), y Cambridge,
Mánchester y Oxford (Reino Unido). A éstas se suman institutos de
tecnología y politécnicos de Austria, Dinamarca, Francia, Alemania,
Grecia, Italia, Polonia, España, Suecia y Suiza. También hay que
mencionar a entidades industriales como Nokia, Thales, Alcatel Lucent,
Philips Technology, Airbus y ST Microelectronics. Esta lista sólo abarca
una porción del total de las organizaciones que participan.
Su misión consiste en llevar el grafeno, y los materiales por capas
derivados, de los laboratorios académicos a la sociedad con vistas a
cambiar radicalmente múltiples sectores y generar crecimiento económico y
empleo en Europa.
«La Comisión y todos los socios académicos e industriales del
proyecto emblemático GRAPHENE forman un frente común para alcanzar estos
objetivos. Que quede claro: se trata de un compromiso a un plazo
especialmente largo y surgirán retos -declaró Carl-Christian Buhr,
integrante del gabinete de la Sra. Kroes-. Debemos incluir a la
industria de tal modo que las ideas sean adoptadas y conduzcan a
productos y mercados nuevos. Esa es la idea esencial del proyecto
emblemático».
De manera consecuente, incluye un conjunto exhaustivo de actividades complementarias para alcanzar estas metas, a saber:
- Un proyecto de tipo ERA-NET, FLAG-ERA (3), para ayudar al proyecto
emblemático a coordinar las iniciativas nacionales de investigación en
torno al grafeno.
- Una serie de iniciativas dedicadas a difundir entre la población general los conocimientos relativos al grafeno. La Semana del grafeno
, por ejemplo, es un foro de periodicidad anual que reúne a cientos de
investigadores con el ánimo de presentar sus últimos adelantos en
diversas disciplinas. La próxima edición se celebrará en Gotemburgo
(Suecia) en junio de 2014. Su cometido es constituir un «punto de
encuentro del colectivo dedicado al grafeno» en el que se traben
vínculos entre los debates de ciencia fundamental y aplicaciones nuevas y
apasionantes.
- Graphene Connect
es una plataforma de interacción pensada para entidades académicas y
empresas que anima a los científicos a aplicar ideas no trilladas y a
las empresas a desarrollar productos comerciales con el grafeno como
base. Incluirá una serie de talleres industriales y sesiones para
inversores providenciales, emprendedores e inversores de capital riesgo
en las que se debatirán posibles oportunidades de inversión en
actividades relacionadas con el grafeno.
- Graphene Study
es una escuela europea de invierno dedicada al grafeno que contribuirá a
formar a una nueva generación de investigadores sobre este material y
también a establecer nuevos canales de comunicación directa entre
jóvenes investigadores y representantes de organizaciones académicas e
industriales. La primera edición tendrá lugar en los Alpes austríacos
entre el 2 y el 7 de febrero de 2014.
Resultados preliminares
Algunas de las investigaciones sobre el grafeno financiadas anteriormente por la UE ya están dando sus frutos. El proyecto GRAND
(4), concluido en diciembre de 2010, se dedicó a estudiar si el grafeno
mantenía sus fabulosas propiedades al integrarse en los procesos de
CMOS basados en el silicio.
El equipo de este proyecto, dirigido por AMO (Alemania), pretendía
evaluar si realmente el grafeno podría llevar la tecnología convencional
de semiconductores a la época «más allá del CMOS». El consorcio de
GRAND desarrolló maneras de fabricar nanoestructuras bidimensionales de
grafeno (con un espesor de tan sólo cinco nanómetros) utilizables en
componentes electrónicos. Era importante demostrar que tales componentes
no sólo funcionarían, sino también que podrían fabricarse mediante un
proceso ampliable hasta dimensiones industriales.
En consecuencia, el equipo diseñó un tipo nuevo de transistor (cuyo
concepto fundamental se publicó en la prestigiosa revista Applied
Physics Letters) que podría abrir vías nuevas para la fabricación, a
partir del grafeno, de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos de
gran velocidad.
En el marco de GRAND, también se ha integrado grafeno en un
dispositivo de memoria no volátil que podría reducirse hasta alcanzar un
tamaño molecular, concretamente, una memoria de grafeno con dimensiones
de tan sólo 1x1 nm capaz de conservar la información guardada en la
misma incluso al retirar el suministro eléctrico. El equipo fabricó más
de una decena de dispositivos de estas características y demostró la
capacidad de ampliar la escala.
Encabezado por la Universidad Tecnológica Chalmers de Suecia, el proyecto CONCEPTGRAPHENE
(5) se inició con el propósito de depositar una capa fina de grafeno
sobre una base de carburo de silicio (SiC) con vistas a desarrollar
dispositivos electrónicos de escala variable que podrían tener
aplicación en la espintrónica y en dispositivos de medición
ultraprecisa. El equipo responsable se aplicó a fabricar obleas de
grafeno a gran escala que permitieran la creación de dispositivos
electrónicos de densidad elevada sobre una única oblea de silicio. Esta
clase de tecnología se necesitará para la fabricación industrial a plena
escala de componentes y dispositivos basados en el grafeno de un modo
compatible con las técnicas industriales actuales.
Concluido en septiembre de 2013, de este proyecto surgió una empresa
naciente que se dedicará a la producción de obleas de grafeno y llamada
Graphensic AB, con sede en Linköping, Suecia. Se trata de una empresa
escindida de la Universidad de Linköping que pretende producir grafeno
de gran calidad y uniformidad sobre SiC valiéndose de un proceso
patentado de obtención de grafeno a alta temperatura. Se trata de un
método de crecimiento que da lugar a una capa de grafeno delgada
(incluso de una capa única de átomos) sobre SiC.
Posibilidades inagotables
Pero el grafeno no es el único material innovador que podría transformar la electrónica; el proyecto 2D-NANOLATTICES
(6), que finalizará en mayo de 2014, trabaja en otras estructuras de
retícula molecular similar al grafito basadas en distintos elementos.
Estas «nanorretículas» también presentan grandes posibilidades de
allanar el camino hacia la construcción de dispositivos nanoelectrónicos
cada vez más pequeños y potentes. Concretamente, el «siliceno» o el
«germaneno», dos equivalentes al grafeno pero derivados del silicio o
del germanio que sería posible lograr en teoría, podrían ofrecer en caso
de obtenerse una mayor compatibilidad con el procesado de silicio.
El equipo de este proyecto, dirigido por el Centro Nacional de
Investigación Científica Demokritos de Grecia, se ha propuesto encontrar
maneras de inducir y estabilizar el silicio y el germanio y demostrar
de forma pionera la existencia física del siliceno. Produciendo capas
alternas (cada una de un átomo de grosor) unidas entre sí por enlaces
débiles, este material nuevo podría constituir el elemento de puertas
lógicas y otros componentes en semiconductores bidimensionales nuevos y
miniaturizados.
Pese a encontrarnos en una etapa muy incipiente, parece que nos
hallamos ante los pasos iniciales de una transformación del modo de
fabricación de los dispositivos electrónicos y también de sus
prestaciones, de lo cual podría surgir una transformación similar de la
industria de alta tecnología y la economía en Europa.
Los proyectos mencionados en el presente artículo contaron con fondos del Séptimo Programa Marco (7PM) de investigación.
(1) «Graphene-based revolutions in ICT and beyond»
(2) «Graphene-based nanoelectronic devices»
(3) «A flagship-supporting ERA-NET»
(4) «New electronics concept: wafer-scale epitaxial graphene»
(5) «Coordination Action for graphene-driven revolutions in ICT and beyond»
(6) «Strongly anisotropic Graphite-like semiconductor/dielectric 2D nanolattices».
Enlaces a los proyectos en CORDIS:
- el 7PM en CORDIS
- ficha informativa del proyecto emblemático GRAPHENE en CORDIS
- ficha informativa del proyecto GRAPHENE-CA en CORDIS
- ficha informativa del proyecto GRAND en CORDIS
- ficha informativa del proyecto CONCEPTGRAPHENE en CORDIS
- ficha informativa del proyecto 2D-NANOLATTICES en CORDIS
Vínculos a las páginas web de los respectivos proyectos:
- página web de «Graphene-based revolutions in ICT and beyond»
- página web de «Coordination Action for graphene-driven revolutions in ICT and beyond»
- página web de «Graphene-based nanoelectronic devices»
- página web de «New electronics concept: wafer-scale epitaxial graphene»
- página web de «Strongly anisotropic Graphite-like semiconductor/dielectric 2D nanolattices»
Enlaces a noticias o artículos relacionados:
- Reportaje - Conozca a los pioneros de las tecnologías futuras y emergentes
- nota
de la prensa de la CE: Grafeno y el proyecto Cerebro humano ganan el
premio más importante de la historia en el campo de la investigación
- nota de prensa sobre la inauguración de GRAPHENE
Otros enlaces:
- sitio web de la Comisión Europea sobre la Agenda Digital