Grafene, nanotubi, nanocavi: nanotecnologie per l’elettronica di consumo – Parte 2

Continuiamo nella giornata di oggi con la seconda parte del percorso in precedenza trattato riguardante la nanotecnologia per l’elettronica di consumo. Verranno presentate altre applicazioni del grafene nei vari campi dell’elettronica e verranno descritte le alternative attualmente possibili sia all’utilizzo del grafene stesso che del silicio.

La prima parte è disponibile qui.

6.2 Modulatore ottico

6.2.1 University of California, Berkley

Il team di Xiang Zhang del Nanoscale Science and Engineering Center della National Science Foundation della University of California di Berkley è riuscito a realizzare il più piccolo modulatore ottico del mondo, un particolare interruttore di luce. Questa capacità di commutazione è fondamentale per un modulatore di rete, che controlla la velocità alla quale vengono trasmessi i pacchetti dati.

I modulatori ottici vengono attualmente utilizzati nelle comunicazioni a lungo raggio e impiegano segnali elettrici per controllare le pulsazioni di una fonte luminosa per effettuare trasferimenti di informazioni tra network, sistemi o dispositivi differenti.

L’utilizzo del grafene ha permesso di raggiungere dimensioni notevolmente inferiori (25 micron quadri) rispetto a quelle permesse dalla tecnologia attuale, migliorando significativamente le possibilità della comunicazione ottica, anche a corto raggio ad esempio tra chip.

Il grafene, depositato su di una guida di luce in silicio, viene reso trasparente od opaco alla radiazione in base al campo elettrico applicato. È stata ottenuta la velocità di modulazione di 1 GHz, ma si prospettano velocità fino a 500 GHz per modulatore. Essi, oltre all’incremento di velocità di modulazione, consentono di trasmettere una maggiore quantità di dati in ciascun impulso.

L’utilizzo di grafene, oro, platino e silicio permette di non utilizzare elementi come gallio, indio e arsenico, utilizzati comunemente per i modulatori ottici.

6.3 Elettrodi

6.3.1 TFT– University of Seoul

Un gruppo di scienziati coreani e giapponesi guidato da Byung Hee Hong e Jong-Hyun ha avviato nella prima metà del 2010 una produzione di TFT[1] di grafene, utilizzando CVP[2] di PET[3] su un substrato flessibile di rame, che può essere riciclato. Il grafene viene quindi pressato contro un altro substrato di PET e lo strato di polimero viene rimosso con il calore, mantenendo intatta la pellicola di grafene. Il foglio finale è costituito da 4 strati impilati. Il trattamento con acido ne migliora la conducibilità elettrica.

I fogli così creati sono di forma rettangolare, con diagonale di 76 cm. La resistività elettrica è superiore a quella degli elettrodi trasparenti commerciali come quelli ITO[4] e il foglio riesce a far passare il 90% della luce.

L’elettrodo è stato incorporato in un touchscreen e il tutto si è dimostrato perfettamente funzionante, con prestazioni migliori rispetto agli elettrodi ITO e con resistenza allo stiramento più che doppia rispetto gli stessi elettrodi ITO.

Il grafene si dimostra una valida alternativa all’indio, materiale molto costoso, e ai nanotubi di carbonio, con tendenza a mostrare dead pixels. L’inizio della produzione di materiale consumer si prevede in non più di un paio d’anni.

6.4 MRAM

6.4.1 Effetto Kondo – University of Maryland

Il team di ricerca del professor Michael Fuhrer è riuscito a controllare le proprietà magnetiche del grafene, consentendo possibili settori di applicazione come l’archiviazione magnetica, le MRAM[5] e nanosensori di campi magnetici. Le vacanze[6] nel grafene, dotate di momento magnetico, possono interagire con gli elettroni provocando l’effetto Kondo, ossia una resistenza elettrica più elevata a basse temperature, effetto solitamente associato all’aggiunta di piccole quantità di atomi magnetici[7] in materiali non magnetici.

L’effetto Kondo avviene nel grafene già a 90 K, nonostante il carbonio abbia una densità elettronica molto più bassa di quella dei metalli. La temperatura Kondo può essere regolata dalla tensione su un gate elettrico, un effetto non riscontrato nei metalli.

Le vacanze quindi fanno del grafene un materiale ferromagnetico[8], grazie all’accoppiamento dei momenti magnetici delle vacanze per lo stesso effetto Kondo.

Questa ricerca determina il primo tentativo di rendere magnetico un foglio di grafene senza impiegare trattamenti superficiali, utilizzando quindi un metodo più semplice e meno costoso.

{jospagebreak_scroll title=Spin Computer &heading=Modulatore Ottico}

6.5 Spin computer

Un’altra area di applicazione interessante è quella spintropica: accoppiando le proprietà elettriche a quelle magnetiche è possibile utilizzare il momento magnetico dell’elettrone per rappresentare l’informazione all’interno di un computer quantistico.

Lo storage richiede poca energia e viene generato meno calore rispetto ai computer quantistici attuali.

6.5.1 Tunnelling Spin Injection – University of California, Riverside

Gli studi del gruppo di ricerca guidato da Roland Kawakami hanno portato alla “tunneling spin injection”, una tecnica che permette la conduttività attraverso un isolante.

Il grafene ha le migliori caratteristiche di trasporto spin di qualsiasi altro materiale a temperatura ambiente, ma lo spin injection da un elettrodo ferromagnetico al grafene è inefficiente poiché la durata media degli spin è migliaia di volte inferiore rispetto alle aspettative teoriche. La durata degli spin è infatti proporzionale alla quantità di calcoli che si possono eseguire.

Per ovviare a questo problema è stato posto uno strato nanometrico di isolante chiamato “tunnel barrier” in modo da creare un flusso di elettroni in un’unica direzione, aumentando l’efficienza di ben 30 volte. La vita media dello spin elettronico è aumentata fino a raggiungere il valore di 500 ps[9] contro i 100 ps tipici. L’inserimento dello strato di isolante ha permesso anche di riconfermare il tunneling spin injection all’interno del grafene.

Inserire barriere isolanti nel grafene però può creare grumi sul layer a causa della riluttanza del grafene a formare legami forti con i materiali. È stato quindi inserito un foglio di tianio tra il grafene e il materiale isolante, in modo da poter far scorrere l’isolante liberamente.

6.6 Componenti flessibili

6.6.1 Batterie – Korea Advanced Institute of Science and Technology

Un gruppo di ricercatori coreani ha sviluppato un elettrodo ibrido basato sul grafene, che potrebbe essere usato per batterie, celle solari e schermi OLED flessibili.

Il catodo è composto da V₂O₅[10] ed è stato sviluppato su un foglio di grafene usando la tecnica “Pulsed Laser Deposition”, mentre l’anodo è realizzato in litio e rivestito di grafene. Questo metodo ha permesso di combinare conduttività elettronica e flessibilità meccanica.

Il grafene in questo caso agisce da conduttore e collettore di corrente, oltre ad avere un’alta resistenza agli stress meccanici.

Il ciclo di vita di queste batterie si è inoltre dimostrato più lungo di quelle classiche rigide.

6.7 Circuiti integrati

6.7.1 Mixer di frequenze – IBM

IBM, qualche settimana fa, ha realizzato il primo circuito integrato su grafene, utilizzando una tecnica che potrebbe creare dispositivi per comunicazioni wireless migliori e schermi meno costosi. Uno dei suoi gruppi di ricerca ha creato un mixer di frequenze a banda larga operante a 10 GHz, stabile fino a 125 °C. Questo mixer produce segnali in uscita sommando o sottraendo i segnali in ingresso. Il circuito consiste in un transistor di grafene e due induttori integrati in un substrato di SiC[11].

La sintesi del grafene su SiC è stata possibile attraverso annealing[12] del SiC, formando strati uniformi di grafene sulla superficie. Sono stati utilizzati quattro strati di metallo e due strati di ossido per creare il circuito integrato completo. Questo schema produttivo può anche essere utilizzato per produrre altri tipi di materiali con grafene, incluse pellicole depositate per CVD su substrati metallici e litografie.

Il progetto è stato creato per conto della DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency del Dipartimento di Difesa degli Stati Uniti) e quindi prevede un utilizzo militare in primo luogo, per costruire dispositivi di comunicazione wireless a corto raggio molto sicure. La storia però insegna che molte applicazioni militare poi sono state utilizzare anche nel campo civile, come il laser, il radar, internet e il GPS.

Il grafene però potrebbe anche inserirsi in pannelli di vetro, per produrre schermi a basso costo.

{jospagebreak_scroll title=Alternative:}

7. Alternative

Le alternative valide al grafene sono poche, e tutte non offrono le stesse proprietà che offre il grafene: flessibilità meccanica[13] e vari settori di impiego e elevata conduttività elettronica. Il grafene però è ancora oggetto di studi e le applicazioni per l’elettronica di consumo non sono così immediate: prima di vedere chip in grafene bisognerà quindi aspettare diversi anni.

7.1 Silicio

Uno dei problemi più grandi del grafene è che i transistor creati con questo materiale non possono essere spenti, a causa dell’assenza di un band gap. Non è quindi possibile fornire facilmente segnali 1/0, fornendo per contro soltanto segnali 1 e rendendolo praticamente inutilizzabile per l’elettronica digitale. Il grafene potrebbe quindi essere usato come materiale complementare e non alternativo al silicio, creando quindi un circuito ibrido capace di arricchire le proprietà degli attuali chip. Nel campo dell’elettronica analogica però il grafene potrebbe essere un sostituto a tutti gli effetti, grazie alla grande conducibilità elettronica.

Le industrie mondiali inoltre hanno un’elevata esperienza nella gestione del silicio che non vi sono ragioni, al giorno d’oggi, per cambiare materiale con cui costruire i chip. Le architetture a 22 nm però sono alle porte: arriverà un giorno in cui i limiti fisici del silicio dovranno scontrarsi con la continua richiesta di capacità di calcolo ed efficienza. Le proprietà del silicio inoltre degradano quando ridimensionato in modo notevole, cosa che non avviene per il grafene.

A parità di lunghezza di gate, gli elettroni del grafene si possono muovere più velocemente di quelli del silicio, raggiungendo di fatto frequenze più elevate.

7.2 Disolfuro di molibdeno

Il disolfuro di molibdeno, o molibdenite è un minerale relativamente comune, che si trova nei depositi di quarzo. Esso si è rivelato un eccellente semiconduttore grazie ad un band gap di 1.8 eV[14] e grazie alla sua incredibile efficienza. I consumi in standby dei chip si potrebbero ridurre anche di 100 mila volte rispetto ai tradizionali transistor in silicio. Questo minerale inoltre consentirebbe un’ulteriore miniaturizzazione dei transistor.

Il gruppo di ricerca di Andras Kis dell’Ecole Polytechnique fédérale de Lausanne ha dichiarato che questo materiale potrebbe essere utilizzato sia per chip che per LED e celle solari.

Come per il grafene, la molibdenite è un materiale bidimensionale spesso appena 0.6 nm. In esso gli elettroni si possono muovere facilmente come in un foglio di silicio spesso 2 nm.

I vantaggi della molibdenite sarebbero in linea con quelli del grafene, con in più il fatto di essere disponibile in quantità notevoli in natura, di possedere un band gap e di poter essere lavorato facilmente.

La molibdenite viene utilizzata comunemente per leghe metalliche o come additivo per lubrificanti o da solo come lubrificante solido.

7.3 Silicene

Nel 2007, un anno prima della creazione del primo transistor in grafene, Lok Lew Yan Voon e Gian Guzmán-Verri avanzarono l’ipotesi che il silicio potesse esistere anche in fogli piatti simili al grafene, nonostante gli atomi non siano portati a legarsi in una struttura di quel tipo.

Nel 2011 i ricercatori del Japan Advanced Institute of Science and Technology di Ishikawa riuscirono finalmente a creare uno strato sottile di silicio sopra il diboruro di zirconio, un materiale ceramico. La trama dello strato di silicio è quella tipica del grafene.

Nel 2010 Guy Le Lay, professore dell’Université de Provence riuscì a creare nanofilamenti di silicene larghi 1.6 nm su supporto di argento, scoprendo che forse silicene e grafene condividono anche la proprietà di elevata mobilità elettronica. Per dimostrare questa tesi però egli dovrà ottenere le stesse proprietà elettroniche su di un supporto isolante.

Nei prossimi capitoli verranno descritti i nanotubi e i nanocavi, due strutture fondamentali nella nanotecnologia.