Un gruppo di ricercatori ha dimostrato un nuovo e promettente approccio alla produzione di una forma importante di grafene
di Mike Orcutt
Un nuovo metodo per produrre nastri ultrasottili in grafene potrebbe offrire al promettente materiale il vantaggio necessario per diventare più pratico nelle elaborazioni digitali o nei chip per computer. Alcuni ricercatori hanno dimostrato di saper crescre questi nano-nastri, una geometria fondamentale per l’introduzione del materiale nei transistor ad alte prestazioni, direttamente su un wafer come quelli adoperati dall’industria dei semiconduttori.
Le proprietà elettroniche e termiche del grafene, uno strato di carbonio dello spessore di un singolo atomo, stanno tentando i tecnologhi che ne vedono il potenziale come base per nuove tipologie di chip più veloci, parsimoniosi e flessibili. Il grafene in sé, però, non presenta le caratteristiche necessarie a transistor sufficientemente efficienti dal punto di vista energetico da risultare pratici. Il motivo sta nel fatto che non è un materiale semiconduttore. Non ha un band gap, la proprietà elettronica necessaria per far passare i transistor da uno stato ad un altro – in cui gli elettroni scorrono più o meno liberamente.
Negli ultimi anni, però, i ricercatori hanno dimostrato come nastri di grafene inferiori ai 10 nanometri possano agire da semiconduttori, esibendo un band gap. Hanno però faticato a identificare un processo produttivo con cui poterli applicare all’industria dei semiconduttori. La fotolitografia, metodo utilizzato tradizionalmente per produrre transistor, non è in grado di produrre nano-nastri privi di difetti che possono comprometterne le prestazioni e non è idonea ad applicazioni digitali, spiega Michael Arnold, un professore di scienza ed ingegneria dei materiali dell’Università del Wisconsin, a Madison.
Arnold e i suoi colleghi hanno dimostrato un nuovo approccio in cui il grafene viene cresciuto direttamente su un convenzionale wafer semiconduttore in germanio utilizzando un processo industriale conosciuto come deposizione chimica di vapore. All’interno di una camera di reazione, il metano viene utilizzato per depositare vari idrocarburi sulla superficie del wafer, dove reagiscono fra loro arrivando a produrre grafene. I ricercatori hanno scoperto che, controllando adeguatamente temperatura e quantità di gas aggiunto nella camera, il grafene risultante forma lunghi nano-nastri con le superfici omogenee tanto desiderate per le applicazioni digitali. Come dimostrazione di principio, il gruppo ha presentato alcuni transistor funzionanti
La possibilità di crescere nano-nastri omogenei direttamente sulla superficie di un wafer convenzionale è un passo molto importante. Per riuscire a produrre computer sarà però necessario un controllo maggiore sul processo, al fine di posizionare miliardi di nastri identici in punti molto precisi, spiega Jim Hannon, manager per la scienza dei materiali di IBM Research. Lo svantaggio nel crescere i nastri, piuttosto che partire da una pellicola di grafene e intagliarla con la litografia, è che il loro posizionamento è molto difficile. Hannon spiega che il nuovo approccio offre un maggiore controllo rispetto ai tentativi precedenti, ma che non vi è ancora paragone con la precisione resa possibile dai tradizionali metodi di litografia.
Stando a Hannon, il suo gruppo, che non sta perseguendo direttamente i nano-nastri, vede un maggior potenziale nell’applicazione dei transistor in grafene all’interno di chip per le comunicazioni wireless. In quella particolare applicazione, spiega, la produzione di transistor particolarmente efficienti dal punto di vista energetico non è altrettanto importante, e la mancanza del band gap non pone lo stesso problema che nei processori digitali. Questo significa che non è necessario utilizzare nano-nastri, tanto meno di quelli con superfici omogenee: la litografia convenzionale va più che bene, dice.
Arnold dice che il suo gruppo si sta ora concentrando sulla comprensione dei meccanismi alla base della crescita dei nano-nastri. Secondo lui è ragionevole credere che i ricercatori possano elaborare un sistema con cui programmare questi meccanismi in maniera tale da assumere un maggiore controllo sulla disposizione dei nano-nastri durante la loro crescita.
(MO)
