Ingeniería

Nueva teoría explica el comportamiento electrónico y térmico de los nanotubos


Las notables propiedades eléctricas y mecánicas de los nanotubos de carbono metálico los hacen candidatos prometedores para formar las interconexiones en los futuros dispositivos electrónicos de escala nanométrica. Pero, como diminutos cables de metal, los nanotubos se calientan a medida que la corriente eléctrica que circula por ellos aumenta. En algún momento, el nanotubo se quemará, como sucede en un fusible de desconexión.

"La dispersión del calor es un problema fundamental del transporte electrónico a escala nanométrica", explica Jean-Pierre Leburton, profesor de Ingeniería Eléctrica y Computación en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Hasta ahora, no había sido propuesta ninguna interpretación coherente que reconciliara la dispersión del calor y el transporte electrónico además de describir los efectos térmicos en los nanotubos de carbono metálico sometidos a la tensión electrónica. En el nuevo resultado teórico no sólo se reproducen los datos experimentales del transporte electrónico sino que también se explica la extraña conducta de la ruptura térmica en estos nanotubos.

Por ejemplo, tanto en la teoría como en los experimentos, cuanto más corto sea el nanotubo más grande será la corriente que puede conducir antes de que ocurra la ruptura térmica. También, cuanto más largo sea el nanotubo más rápida será la elevación de la temperatura ya que el umbral de la corriente necesaria para producir el calentamiento térmico se verá reducido.

En los nanotubos, el calor generado por la resistencia eléctrica crea vibraciones atómicas en la nanoestructura, con lo que se producen más colisiones con los portadores de carga. Las colisiones adicionales generan más calor y más vibraciones, seguidas por más colisiones aún, en un círculo vicioso que acaba cuando el nanotubo se quema, interrumpiendo el circuito.

Comportamiento electrónico térmico nanotubos
Jean-Pierre Leburton. (Foto: L. Brian Stauffer )
Los nanotubos cortos pueden conducir más corriente antes de quemarse porque disipan mejor el calor que los nanotubos más largos. Aunque todo el nanotubo experimenta calentamiento por resistencia, los contactos eléctricos en cada extremo actúan como disipadores de calor, y como en los nanotubos más cortos se encuentran más cercanos entre sí, producen una disipación más eficaz del calor.

Este fenómeno también explica por qué la temperatura más alta siempre ocurre en el medio de la nanoestructura, ya que es el punto más alejado entre los dos extremos y donde se produce la quemadura en los nanotubos más largos sometidos a tensión eléctrica.

En otro hallazgo importante, Leburton y sus colegas han revisado la creencia común de que los portadores de carga se comportan balísticamente en los nanotubos metálicos que conducen altas corrientes. Los investigadores pensaban previamente que los portadores de carga viajaban de un extremo al otro como un cohete, es decir, sin experimentar colisiones.

Ahora Leburton y sus colegas han demostrado que los altos niveles de corriente que conducen los nanotubos metálicos cortos no son debidos al transporte balístico sin colisiones, sino a sus efectos caloríficos reducidos.


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