Grafene, nanotubi, nanocavi: nanotecnologie per l’elettronica di consumo – Parte 4

Proseguiamo con la quarta e ultima parte del percorso già trattato in precedenza, nei giorni scorsi, sulla nanotecnologia per l’elettronica di consumo. Di seguito verranno presentati i nanocavi, strutture simili ai nanotubi ma con applicazioni differenti ed inoltre verranno analizzate le proprietà, alcuni metodi di analisi e alcune applicazioni nei vari campi dell’elettronica.

La prima parte è disponibile qui, la seconda qui e la terza qui.

Nanocavi

1. Struttura

Il nanocavo è una nanostruttura con un diametro dell’ordine del nanometro. A differenza del nanotubo, il nanocavo non è vuoto all’interno. Questo permette di avere elevata mobilità elettronica in una particolarissima struttura.

2. Proprietà

I nanocavi combinano le caratteristiche monodimensionali dei nanotubi con quelle tridimensionali dei materiali classici, aggiungendo proprietà particolari unici e tipici per questo tipo di strutture, questo perché gli elettroni sono letteralmente confinati nel nanocavo e occupano livelli energetici[1] differenti da quelli classici dei materiali. Questo confinamento quantistico permette una notevole conducibilità elettrica, sempre minore però di quella del materiale bulk[2].

Grazie a questa peculiare caratteristica, i nanocavi possono essere utilizzati in elettronica, optoelettronica[3], nanoelettronica, componenti per dispositivi quantistici, emettitori di campo e anche nanosensori biomolecolari.

3. Sintesi

I nanocavi possono essere prodotti utilizzando atomi metallici, semiconduttori o anche materiali organici. È possibile utilizzare l’approccio top-down o bottom-up[4], anche se quest’ultimo è il più usato.

3.1 Crescita Vapore-Liquido-Solido

Questa tecnica prevede l’utilizzo di gas o particelle ottenute per laser ablation come fonte di atomi. Come catalizzatori vengono utilizzati nanocluster di metalli liquidi, ottenuti da forme colloidali o per dewetting (processo all’interfaccia solido-solido o liquido-liquido con il quale si ha la formazione di goccioline su un substrato). Questo processo può anche formare nanocavi cristallini nel caso di utilizzo di materiali semiconduttori.

Il processo prevede la saturazione dei nanocluster utilizzando gli atomi ottenuti per laser ablation o da gas, con la quale si ha la crescita verticale dei nanocavi a partire dallo stesso nanocluster. La lunghezza dei nanocavi è determinata dalla quantità di particelle immesse.

3.2 Soluzione

Questa tecnica riesce a produrre una grossa quantità di nanocavi se paragonata a quelle che prevedono l’utilizzo di substrati superficiali. Il glicole etilenico è un materiale estremamente versatile in questo campo poiché viene utilizzato come solvente e agente riducente per nanocavi di Pb, Pt e Ag.

[1] I classici orbitali elettronici, ossia particolari stati energetici con un volume definito attorno al nucleo dell’atomo

[2] Materiale macroscopico

[3] Campo della scienza che studia i dispositivi elettronici che interagiscono con la luce

[4] Approccio rispettivamente fisico e chimico: dal materiale bulk vengono creati i singoli nanocavi oppure vengono assemblati a partire dai singoli atomi.

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4. Applicazioni-Parte 1:

4.1 Nanocavi di ossido di grafene

A metà del 2010 un gruppo di ricerca della School of Physics del Georgia Institute of Technology ha trovato un nuovo metodo per produrre nanocavi di grafene, riscaldando l’ossido di grafene isolante con la punta di un AFM[1] e ottenendo così nanocavi di una decina di nanometri.

Tramite questo processo si è scoperta la possibilità di creare nanocavi in un solo passo utilizzando la ThermoChimic NanoLitography, che consente di regolare le proprietà dell’ossido di grafene e quindi di ottenere un conduttore da un materiale originariamente isolante.

4.2 LED

Il 15 settembre 2010, un gruppo di ricerca del NIST (National Institute of Standards and Technology ) ha pubblicato un lavoro riguardante la possibilità di realizzare particolari nanocavi in ossido di zinco e nitruro di gallio grado di emettere radiazione elettromagnetica nel campo del visibile e quindi di comportarsi come dei LED nanoscopici. Questi nanocavi potrebbero essere impiegati per la costruzione di dispositivi fotonici miniaturizzati come ad esempio i lab-on-a-chip[2].

I nanocavi sono stati realizzati tramite CVD[3]: l’oro viene portato a 900 °C formando nanoparticelle in grado di fungere da sito di crescita per i cristalli di ossido di zinco. La nanoparticella d’oro viene spinta lungo la superficie del substrato di nitruro di gallio in modo da formare un nanocavo orizzontale che assume proprietà fortemente influenzate dal materiale utilizzato come base di crescita.

Incrementando lo spessore del catalizzatore da 8 a 20 nm, si è verificata la crescita dei nanocavi e di un nanowall. In questa struttura l’ossido di zinco risulta ricco in elettroni, al contrario del il nitruro di gallio, formando così una giunzione p-n. Applicando una tensione alla struttura nanocavo – nanowall si ha ottenuto l’emissione di radiazione luminosa e creando di fatto un nanoLED.

Le strutture presentano inoltre pochi difetti strutturali e le giunzioni sono ben evidenti nei nanowall.

Il 29 agosto 2010 LG, nota multinazionale della Corea del Sud, ha presentato all’IFA di Berlino (Internationale FunkAusstellung – RadioEsibizione Internazionale) l’HDTV LEX8, caratterizzata da retroilluminazione con nanoLED. Il televisore è spesso solamente 0.88 cm, rendendo necessario il posizionamento dei connettori nella base.

La versione attualmente in commercio presentata ad inizio 2011 ha uno spessore di 3.3 cm, ma possiede i connettori direttamente sul retro dello schermo. Gli schermi di in questione hanno un refresh rate di ben 480 Hz e arrivano a dimensioni di 60” con un prezzo di 4500$. Al giorno d’oggi il refresh rate per un comune schermo è di 60 Hz, arrivano a 120 Hz nel caso di schermi da utilizzare per la visione di contenuti in 3D con occhiali.

[1] Atomic Force Microscopy: microscopia che registra le interazioni tra la punta del microscopio e il materiale determinandone la superficie.

[2] Singolo chip che integra funzioni multiple che si possono svolgere in un laboratorio

[3] Chemical Vapour Deposition: tecnica che permette la deposizione di un film sottile di un materiale previa evaporazione in camera e poi condensazione sulla superficie scelta.

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4. Applicazioni-Parte 2:

4.3 Arithmetric Logic Unit

Il gruppo di ricerca della University of Harvard guidato dal professor Charles Lieber ha progettato e costruito in collaborazione col MITRE (organizzazione no-profit finanziata dal governo USA) una particolare ALU utilizzando array di nanocavi di Si-Ge utilizzando tecniche mai usate in precedenza.

I nanocavi sono stati realizzati sinteticamente con tecnica bottom-up invece di ricavarli da un blocco di silicio come avviene normalmente. I cavi hanno uno spessore di appena 30 nm. Essi sono poi stati ricoperti con uno strato di ossido metallico e sono stati disposti a formare una griglia, capace di eseguire operazioni aritmetiche programmate e di possedere funzione di memoria grazie alla non volatilità dei transistor ad effetto di campo (FET).

Si è potuto notare che le funzioni computazionali dei nanocavi consumano meno energia dei circuiti convenzionali che devono costantemente essere alimentati per mantenere le funzioni di memoria.

Il prossimo passo della ricerca sarà unire più nanocavi per cercare di avere potenza computazionale maggiore.

4.4 Sensori autoalimentanti

Dalla combinazione di nanogeneratori piezoelettrici e sensori a nanocavi, il gruppo di ricercatori della School of Materials Science and Engineering del Georgia Institute of Technology guidato da Zhong Lin Wang ha realizzato i primi nanosensori piezoelettrici, capaci quindi di generare energia elettrica dalle deformazioni meccaniche.

I nanocavi sono prodotti con ossido di zinco e basta una semplice flessione per generare e incanalare corrente elettrica per alimentare i nanosensori. Essi sono collegati ai loro estremi ad un substrato polimerico flessibile, rendendoli di fatto isolati dall’ambiente esterno con la possibilità futura di impiego in numerosi settori, utilizzando per esempio i movimenti del corpo umano.

Il prototipo presentato dal gruppo di ricerca può misurare il pH dei liquidi o la presenza di radiazione ultravioletta utilizzando la corrente elettrica generata dal movimento delle particelle presenti nell’ambiente. Utilizzando 20000 nanocavi si è potuto generare una tensione di 1.2 V, che rimane costante per lungo tempo senza cali apprezzabili. Per generare 1 mA e 3 V si è dovuto usare 5 nanogeneratori impilati.

{jospagebreak_scroll title=Conclusioni:}

Conclusioni

Questa è una minima parte delle svariate applicazioni possibili della nanotecnologia in ogni campo tecnologico. L’elettronica di consumo è un settore che è spinto da multinazionali, aziende pubbliche e private e università grazie alle ricerche effettuate in tutti i laboratori del mondo, ed è un settore che migliora concretamente la vita di tutti i giorni portando innovazioni in ogni piccolo oggetto elettronico che abbiamo in casa.

I PC, gli smartphone, i televisori e perfino oggetti comuni possono essere migliorati grazie agli studi effettuati da svariati team di ricerca. La ricerca è quindi un settore di importanza mondiale, che mira all’innovazione di ogni aspetto della nostra vita e mira ad aumentare il fatturato delle aziende che finanziano le ricerca di team privati e/o universitari. Essa non dovrebbe mai essere messa in disparte e i fondi economici stanziati non dovrebbero mai essere ridotti.

Questa guida è aggiornata alle scoperte dei primi mesi dell’anno 2011: essendo la nanotecnologia un campo in grandissima espansione non è stato possibile quindi includere tutte le nuove ricerche effettuate ultimamente. Non si escluderà quindi un successivo appuntamento per ulteriori aggiornamenti.

Andrea F. Franchitti – Il_Metallurgico – HW Legend Staff