Oficina de Vinculación

EL DR. JOEL MOLINA REYES, INVESTIGADOR DEL INAOE, RECIBE RECONOCIMIENTO EN JAPÓN POR SU TRABAJO PARA EL DESARROLLO DE MEMRISTORES A BAJA TEMPERATURA

Santa María Tonantzintla, Puebla, a 26 de noviembre.- El Dr. Joel Molina Reyes, investigador del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), recibió el pasado mes de septiembre el reconocimiento Award for Encouragement of Research in IUMRS-ICA2014, por un trabajo científico vanguardista y de alto impacto en el área de materiales emergentes para el desarrollo de la nanoelectrónica en el marco del International Union of Materials Research Societies The IUMRS International Conference in Asia 2014 en Fukuoka, Japón.  

El trabajo presentado por el Dr. Joel Molina (dentro del simposio Control of Interfaces and Materials Processing for Nanoelectronics) se titula Electrical Characteristics of Al/Al2O3/Al Stacked Structures Fabricated at 300°C on Glass, y fue uno de los 20 seleccionados para este reconocimiento entre más de 1950 investigaciones que se presentaron en el evento en el cual participaron algunas de las mejores universidades del mundo así como de la industria electrónica.  

El Dr. Joel Molina con su equipo de trabajo. En la imagen de izquierda a derecha: el Ing. Óscar Pestaña, el Dr. Joel Molina, el M.C. Berni Manolo Pérez, el Ing. Jassiel Cano, el M.C. Héctor Uribe y el M.C. René Valderrama. Foto: archivo INAOE.

En entrevista, el Dr. Joel Molina comenta que esta investigación tiene que ver con el desarrollo de memristores: "Un memristor es un dispositivo de dos terminales que permite modular el flujo de corriente eléctrica a partir de dos estados: uno altamente resistivo y otro altamente conductivo. Adicionalmente, este dispositivo presenta un efecto de memoria respecto a su valor de resistencia o conductancia inicial, de ahí viene el término de memristor: memory -resistor".  

El Dr. Molina destaca el trabajo de sus estudiantes, en especial del M.C. René Valderrama (segundo de izquierda a derecha), cuyo trabajo doctoral está relacionado con esta investigación. El equipo posa afuera del Laboratorio de Nanoelectrónica del INAOE. Foto: archivo INAOE.

Los memristores no existían en la electrónica hasta hace seis años, cuando fueron inventados en los Laboratorios Hewlett-Packard por un equipo liderado por el Dr. Stanley Williams en Palo Alto, California. Sin embargo, los memristores nacen a partir de los estudios del Dr. Leon O. Chua en 1971 en la Universidad de California, Berkeley. "En ese entonces explica el Dr. Molina-- el Dr. Chua postuló la existencia de un dispositivo electrónico de dos terminales que relacionaría dos variables físicas importantes: carga electrónica y flujo magnético. Antes del memristor sólo se contaba con tres dispositivos electrónicos fundamentales usados en el desarrollo de la electrónica discreta o integrada: el resistor, el capacitor y el inductor, los cuales podían relacionar corriente-voltaje, carga-voltaje y flujo-corriente respectivamente. Aunque estos tres dispositivos han sido ampliamente utilizados en el desarrollo de la electrónica hasta nuestros días, no fue sino hasta finales de 2008 cuando el primer memristor experimental fue inventado en los laboratorios Hewlett-Packard cuando ésta, y otras empresas líderes en la fabricación de dispositivos electrónicos, contaron con la capacidad tecnológica para manipular la materia a nivel atómico, que es donde se presenta este fenómeno". 

Características corriente-voltaje de memristores fabricados a baja temperatura (300°C) en INAOE y que presentan la típica respuesta de memoria para varios ciclos de operación. (A) bipolar, (B) unipolar.

El entrevistado agrega que los memristores se pueden utilizar a nivel de diseño y simulación de circuitos para aplicaciones de unos sistemas denominados osciladores caóticos, los cuales aprovechan la doble estabilidad de resistencia de estos dispositivos así como una alta no-linealidad de los mismos, para obtener circuitos electrónicos muy avanzados y con el menor número de componentes. Otras aplicaciones específicas de los memristores incluyen lógica programable, procesamiento de señales, redes neuronales, cómputo reconfigurable, cómputo neuromórfico, interfaces cerebro-computadora, reconocimiento de patrones, lógica neuro-difusa, e inclusive, aplicaciones dentro del campo de la neurobiología como sinapsis artificiales entre otras: "Una aplicación importante que nosotros queremos explotar es en el área de memorias no-volátiles altamente integradas. Las memorias en los teléfonos celulares, en las computadoras, por ejemplo, pueden ser mucho más pequeñas, e inclusive, es posible integrar estas memorias en las tres dimensiones de un circuito integrado lo que significa que nuestros circuitos electrónicos van a ser mucho más densos en términos de los componentes que pueden integrarse a ellos".  

(A) Los cuatro dispositivos fundamentales en la electrónica: resistor, capacitor, inductor y memristor.(B) Curva característica de operación del primer memristor fabricado en HP (Nature, 453, pp. 80-83, 2008).

 El Dr. Joel Molina agrega que esta investigación comenzó en el INAOE en el año 2012 cuando, al trabajar en el Laboratorio de Microelectrónica utilizando nanopartículas de óxidos metálicos, "detectamos el fenómeno de memristancia en estructuras Metal-Óxido-Nanopartículas-Óxido-Semiconductor (MONOS) utilizando un proceso convencional de depósito de materiales nanoestructurados. De manera simultánea, y con el fin de mejorar el fenómeno de memristancia, empezamos a usar un equipo nuevo adquirido gracias a un financiamiento de CONACYT que nos permitió depositar los óxidos metálicos a nivel de capas atómicas. Este equipo se denomina Atomic-Layer Deposition (ALD) y con él es posible realizar depósitos muy uniformes de materiales dieléctricos ultra-delgados a nivel de capas atómicas (1 Angstrom de espesor típico). En este sentido, en el INAOE tenemos la capacidad para manipular varios materiales a este nivel para distintas aplicaciones y con muy buenos resultados. Se trata de una gran contribución en el sentido de que con la tecnología actual de que disponemos en los laboratorios de Microelectrónica y Nanoelectrónica del INAOE, podemos manipular la materia con nuestros equipos y, con nuestros procesos, podemos desarrollar materiales y dispositivos realmente interesantes. Para el caso de memristores fabricados a baja temperatura, habilitamos su integración en circuitos integrados y no solamente en la superficie de nuestros sustratos de silicio o de otro semiconductor, sino en las tres dimensiones".  

Uno de los elementos centrales de este proyecto tiene que ver con los materiales avanzados que se emplearon en el laboratorio y que el Dr. Joel Molina utiliza para fabricar dispositivos integrados y aplicarlos en tecnologías lógicas, de memoria y de sensores. El equipo de trabajo liderado por este investigador, utilizó materiales ultra-delgados de alta constante dieléctrica, que son ampliamente utilizados en la industria electrónica mundial. El investigador del INAOE abunda: "Se trata de óxidos metálicos binarios o aleaciones más complejas: óxido de hafnio, óxido de aluminio, óxido de zirconio, óxido de titanio. Para este trabajo utilizamos óxido de aluminio fuera de estequiometria, el cual depositamos con un espesor físico por debajo de los diez nanómetros. La ventaja es que podemos depositar materiales mucho más delgados, únicamente limitados por el espesor físico de una sola capa atómica del material mismo. La capacidad tecnológica para manipular la materia a este nivel sólo la tienen cuatro instituciones de alto prestigio en México y en el INAOE, no solo desarrollamos estos materiales si no que los utilizamos como bloques fundamentales para la fabricación de dispositivos electrónicos estado-del-arte. Lo anterior gracias a que contamos con la infraestructura y el potencial académico e intelectual para ello en nuestro laboratorios y con nuestros estudiantes".  

El Dr. Joel Molina agrega que dentro de la Coordinación de Electrónica de INAOE se realizan importantes investigaciones sobre el modelado y la simulación de memristores así como su introducción en aplicaciones no-lineales de circuitos, líneas que son lideradas por algunos investigadores del grupo de diseño de circuitos integrados como el Dr. Arturo Sarmiento, Dr. Esteban Tlelo, Dr. Alejandro Díaz Sánchez y el recientemente finado, Dr. Miguel Ángel Gutiérrez de Anda. En este trabajo en particular, que será ampliado y reportado en los próximos dos meses en una importante revista internacional, se encuentran además del Dr. Joel Molina, el M. en C. René Valderrama (tesista cuyo trabajo doctoral está relacionado directamente con esta investigación), así como los doctores Carlos Zuñiga, Pedro Rosales, Wilfrido Calleja, Alfonso Torres, Javier de la Hidalga y Edmundo Gutiérrez, todos ellos pertenecientes al grupo de Microelectrónica del INAOE.  

Para finalizar, el Dr. Molina comenta que "sin la continua colaboración de investigadores, estudiantes y los técnicos de los respectivos laboratorios, así como un adecuado apoyo institucional, sería muy difícil generar resultados de frontera que repercutan en el ámbito internacional para el desarrollo de dispositivos electrónicos estado-del-arte y que han generado, solo para este tema en particular, ocho artículos científicos indizados (desde 2012 a la fecha) pero sobre todo, la motivación de proponer y desarrollar nanoestructuras para un adecuado control de la carga electrónica al nivel de los mejores laboratorios del mundo. En este sentido, en el INAOE se cuenta con herramientas capaces de manipular la materia a nivel de capas atómicas y con ello, fabricar dispositivos que para el caso del memristor, ya han generado una colaboración con la Singapore University of Technology and Design (para el estudio cinético de los mecanismos atómicos que generan este efecto) así como colaboraciones adicionales con universidades de alto prestigio en España, Alemania y Japón. Todo esto, nos compromete a seguir haciendo nuestro trabajo de la mejor manera y siempre intentando generar no solo los mejores conocimientos si no también, los mejores recursos humanos dentro de nuestro campo de trabajo para así aportar en el desarrollo científico y tecnológico de México".