INVENTATO IL PRIMO SEMICONDUTTORE DI GRAFENE. L’ELETTRONICA NON SARÀ PIÙ LA STESSA
Un team di ricerca del Georgia Institute of Technology e dell’Università di Tianjin in Cina, guidato dal professore di fisica Walter de Heer, ha raggiunto un importante traguardo nel campo dell’elettronica: la creazione del primo semiconduttore funzionale realizzato in grafene. Questo risultato è stato ottenuto “coltivando” il grafene su un substrato di carburo di silicio per dare vita a un semiconduttore con una mobilità (degli elettroni) 10 volte superiore a quella del silicio.
IL GRAFENE AVRÀ UNA RESPONSABILITÀ ENORME: CAMBIARE L’ELETTRONICA
“Ci eravamo cullati pensando che il silicio fosse il punto massimo dell’elettronica [nel campo dei semiconduttori]. Ma non è così. Era solo l’inizio”, queste le parole usate da de Heer per presentare il grafene con capacità di semiconduttore.
Il grafene è un materiale costituito da una sequenza di atomi di carbonio legati tra loro in modo da formare una struttura a nido d’ape bidimensionale, cioè con uno spessore pari alla dimensione di un solo atomo. Per questo motivo il grafene appartiene alla categoria dei materiali bidimensionali, o 2D.
È già applicato nell’elettronica perché alcune delle sue caratteristiche, come l’elevata conduttività elettrica, la flessibilità e la trasparenza lo rendono adatto ad essere usato come elettrodo trasparente, per esempio nelle celle solari, o anche nella produzione di dispositivi elettronici indossabili grazie alla sua flessibilità e resistenza.
PERÒ, PROPRI…
IL BAND GAP E IL POTENZIALE DEL GRAFENE
Però, proprio a causa della sua alta conduttività elettrica, finora al grafene è mancata una caratteristica propria del silicio: un adeguato band gap.
Il band gap è la differenza di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione del materiale. In altre parole, rappresenta l’energia necessaria per spostare un elettrone dalla banda di valenza, dove non può contribuire alla conduzione, alla banda di conduzione, dove può contribuire al passaggio della corrente elettrica.
Il silicio ha un band gap insito nel materiale stesso, quindi è possibile anche non drogarlo, cioè introdurre in modo controllato impurità o atomi estranei in un cristallo semiconduttore, al fine di modificare le sue proprietà elettriche.
Avere un adeguato band gap in un semiconduttore permette di usare quel materiale per rappresentare degli stati di “acceso/spento”, fondamentali nel campo dell’elettronica.
Il ricercatore…
IL NUOVO SEMICONDUTTORE DI GRAFENE CAMBIA LE REGOLE DEL GIOCO
I ricercatori del Georgia Institute of Technology e dell’Università di Tianjin in Cina sono riusciti a dare proprietà di semiconduttore al grafene facendolo “crescere” su wafer di carburo di silicio grazie all’uso di forni appositi.
In questo modo è stato ottenuto grafene epitassiale, cioè un singolo strato aggrappato alla faccia cristallina del carburo di silicio. Dopo numerosi test, i ricercatori hanno dimostrato che il grafene epitassiale si lega chimicamente al carburo di silicio, creando così un adeguato band gap e dimostrando caratteristiche di semiconduzione ottime.
Gli esperimenti hanno infatti rivelato che questo nuovo semiconduttore di grafene ha una mobilità elettronica 10 volte superiore a quella del silicio.
Inoltre, ha spiegato il professore de Heer, “il grafene è un materiale estremamente robusto, in grado di gestire correnti molto elevate e di farlo senza riscaldarsi e distruggersi. [Quindi] ora disponiamo di un semiconduttore di grafene estremamente robusto con una mobilità 10 volte superiore a quella del silicio e con proprietà uniche non disponibili nel silicio”.
Nel comunicato con il quale ha annunciato la pubblicazione della ricerca su Nature, il Georgia Institute of Technology ha affermato che questo semiconduttore di grafene potrebbe portare a un cambiamento di paradigma nel campo dell’elettronica e consentire tecnologie completamente nuove che sfruttano le sue proprietà uniche. Il materiale consente anche di utilizzare le proprietà ondulatorie della meccanica quantistica degli elettroni, un requisito indispensabile per l’informatica quantistica.
Inoltre, considerando che il silicio si sta avvicinando ai suoi limiti fisici rispetto all’aumento della domanda di elaborazione, che deve essere sempre più rapida e abbinata a dispositivi elettronici più piccoli, l’innovazione del semiconduttore di grafene riveste una grande importanza per l’industria elettronica.
LA PRODUZIONE E IL FUTURO DEL SEMICONDUTTORE DI GRAFENE
Avere un materiale di questo tipo senza la possibilità di poterlo produrre su larga scala e con le giuste economie potrebbe però essere un ostacolo alla sua diffusione. Non è il caso del semiconduttore di grafene perché, secondo de Heer, la sua produzione è compatibile con i metodi convenzionali di lavorazione della microelettronica. Una necessità per qualsiasi alternativa valida al silicio.