Nella guida che segue, in maniera semplice, cercheremo di illustrare e di spiegare le proprietà oltre che le caratteristiche e gli studi effettuati per rendere l’elettronica sempre al passo coi tempi.

La nanotecnologia è un ramo della scienza applicata che si occupa del controllo della materia e della progettazione di dispositivi su scala nanometrica[1]. Con essa è possibile manipolare la materia a livello atomico e molecolare, ottenendo strutture con particolari proprietà chimiche e meccaniche.

Gli ambiti di sviluppo sono molteplici, e si estendono su tutte le discipline scientifiche. Gli approcci utilizzati sono i cosiddetti bottom-up e top-down: il primo prevede la realizzazione di materiali a partire da singoli atomi o molecole, il secondo prevede invece l’utilizzo di materiali macroscopici e di tecniche di miniaturizzazione.

Materiali innovativi come grafene, nanotubi e nanocavi sono gli ultimi ritrovati tecnologici. Molte scoperte rimangono però ancora a livello prototipale o come base di altri studi. La ricerca su questi materiali ha quindi l’obiettivo di realizzare tecniche di produzione più efficienti e adatte a scale industriali, oltre che trovare sempre più campi di utilizzo dato che questi specifici materiali si adattano perfettamente a numerosi ambiti.

La guida verrà suddivisa in capitoli che verranno pubblicati poco alla volta, in modo da affrontare ogni argomento in dettaglio ma senza appesantire il discorso e rendere inefficace il contenuto.

{jospagebreak_scroll title=Grafene &heading=Introduzione:}

Grafene

Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio ibridati sp² [2].

Fu scoperto nel 2004 in un modo alquanto bizzarro: nastro adesivo e semplice grafite hanno permesso a Andre Geim e Konstantin Novoselov della University of Manchester di ottenere nel 2010 il premio Nobel per la fisica. I due infatti realizzarono uno strato di grafene puro e stabile sfogliando ripetutamente della grafite con del semplice nastro adesivo, il tutto a temperatura ambiente.

1. Struttura

La struttura del grafene è semplice: si tratta di uno strato di carbonio composto da celle esagonali con angoli di 120°. Celle pentagonali o ettagonali sono considerate infatti difetti, poiché deformano il layer degenerandone le proprietà. Tramite l’utilizzo di queste celle in modo però controllato si possono realizzare strutture ben definite.

2. Proprietà

Le sue proprietà si sono molto importanti: il grafene possiede la più alta conducibilità elettronica[3] a temperatura ambiente mai riscontrata ed è il più sottile materiale esistente essendo composto da un singolo layer di atomi, oltre ad avere resistenza meccanica[4] estremamente alta.

3. Sintesi

3.1 Da grafite
La produzione in laboratorio più classica parte dalla grafite. I cristalli vengono trattati con una soluzione fortemente acida con acido solforico e acido nitrico e successivamente vengono ossidati ed esfoliati fino ad ottenere fogli con gruppi carbossilici[5] ai bordi. Mediante trattamento con cloruro di tionile (SOCl₂) queste molecole vengono trasformate in cloruri acilici[6] e poi in ammidi[7]. Si ottiene così un foglio solubile in tetraidrofurano, tetraclorometano e dicloroetano[8].

La purificazione del materiale è anche possibile attraverso effetto Joule[9] che però porta effetti di loop, ossia legami tra due strati adiacenti di grafene.

3.2 Da saccarosio
Un gruppo di ricercatori della Rice University è riuscito a sintetizzare il grafene partendo dal saccarosio.

Dapprima l’esperimento è stato compiuto utilizzando un film sottile di PMMA[10] e un substrato di rame con funzione di catalizzatore[11], in condizione di bassa pressione, flusso di idrogeno e argon per 10 minuti e temperatura di 800 °C si è riuscito a ottenere carbonio puro sotto forma di un singolo strato di grafene. Successivamente, saccarosio in polvere e fluorene[12] sono stati sottoposti allo stesso processo. La presenza di ossigeno nel saccarosio e di anelli pentagonali nel fluorene non hanno influito sul risultato finale.

Utilizzando una miscela di PMMA e melammina[13] è stato anche possibile creare un grafene drogato con azoto, un possibile costituente base per la realizzazione di transistor ad effetto di campo (FET), ossia un transistor con la particolare capacità di controllare la conduttività elettrica e quindi la corrente elettrica che lo percorre, mediante formazione di un campo elettrico al suo interno.

3.3 Rimozione dei difetti
Il gruppo di ricerca della Brown University guidato da Vivek Shenoy ha scoperto inoltre che le impurità più resistenti sono da attribuire all’ossigeno sostituito al carbonio, con conseguente doppio legame e struttura particolarmente stabile. Al posto di utilizzare energia termica, essi hanno utilizzato idrogeno in modo da rimuovere l’ossigeno efficacemente grazie alla formazione di un gruppo ossidrilico.

{jospagebreak_scroll title=Applicazioni:}

Applicazioni

4.1 Transistor

Il primo transistor di grafene risale al 2008 quando gli stessi scopritori del grafene, Andre Geim e Konstantin Novoselov, realizzarono un transistor lungo un atomo e largo 10, con spessore ovviamente di un atomo. Per tracciare solchi nel grafene si utilizza la litografia a fascio di elettroni, ossia la stessa tecnica utilizzata per il silicio.

I transistor al grafene sono caratterizzati dall’assenza di band gap[14], questo li rende inutilizzabili per le operazioni di switching digitale tipiche dei semiconduttori. Essi infatti sono particolarmente adatti a processare segnali analogici, dove infatti non c’è bisogno di un segnale 1/0, grazie all’elevata mobilità degli elettroni.

Il transistor di grafene utilizza un’architettura metal top-gate e un nuovo isolante di gate che prevede l’impiego di un polimero e un ossido ad elevata costante dielettrica.

 
L’architettura top-gate verrà anche utilizzata da Intel per i suoi prossimi processori.

Essendo il grafene monodimensionale, la difficoltà sta nel creare chip tridimensionale, adatti alla commercializzazione.

4.1.1 Raffreddamento termoelettrico – University of Illinois

Un team di ricerca dell’University of Illinois ha osservato effetti termoelettrici[15] sui contatti di grafene. È stata utilizzata una punta di un AFM[16] come sonda di temperatura per realizzare misurazioni in scala nanometrica di un transistor funzionante. I punti in cui il transistor tocca il metallo si ha un raffreddamento termoelettrico più forte del riscaldamento resistivo[17], consentendo la riduzione di temperatura del transistor.

I chip al grafene potrebbero quindi non richiedere affatto un sistema di raffreddamento, cosa che avviene invece tutt’ora con i chip in silicio.

4.1.2 100 GHz, 155 GHz – IBM
All’inizio del 2010, un gruppo di ricerca del T. J. Watson Research Center di New York è riuscito a realizzare un transistor al grafene con frequenza di funzionamento di 100 GHz e lunghezza del gate di 240 nm, utilizzando un substrato[18] di carburo di silicio. Il grafene è stato fatto crescere in maniera epitassiale[19] su tutta la superficie del wafer, utilizzando le tecnologie di processo impiegate nella produzione di dispositivi di silicio avanzati.

Nel 2011 invece il team guidato dai professori William King ed Eric Pop ha realizzato un transistor funzionante a 155 GHz con gate di appena 40nm. Quest’ultimo transistor è caratterizzato da un substrato con carbonio diamond-like[20]. Il transistor a 155 GHz si è dimostrato stabile sia a temperatura ambiente che a 5 K.

4.1.3 300 GHz – University of California, Los Angeles

È da attribuire al team del professore Xiangfeng Duan l’intuizione di impiegare un nanocavo con funzione di gate self-aligned, elaborando un nuovo processo per la fabbricazione di transistor in grafene. I gate self-aligned vengono usati nei semiconduttori per amplificare i segnali elettronici e sono stati sviluppati per evitare i problemi di disallineamento dovuti alla miniaturizzazione dell’elettronica.

Questo nuovo metodo produttivo, ideato alla fine del 2010, non produce alcun difetto apprezzabile nel grafene durate la fabbricazione, in modo da non diminuire la mobilità elettronica. Il team ha potuto quindi superare la velocità del transistor in grafene del gruppo di ricerca IBM, raggiungendo la frequenza di 300 GHz. Tali velocità vengono raggiunte soltanto da materiali come arseniuro di gallio o fosfuro di indio.

4.1.4 Cristalli – Texas Instruments

Grazie ad una collaborazione tra il T. J. Watson Research Center, la Nanoelectronic Research Initiative e la University of Texas, T.I. all’inizio del 2011 ha dimostrato la possibilità di realizzare cristalli di grafene a grana grossa di dimensioni pari a mezzo millimetro di diametro.

La tecnica impiegata è la CVD[21], utilizzando una cella in rame e metano come precursore. I fogli di grafene sono stati trasferiti su substrati di silicio monocristallino[22] drogato e di silicio su isolante, al fine di misurarne le proprietà elettriche. Le richerche ora si stanno occupando di trovare un metodo per far crescere i cristalli direttamente sui substrati isolanti o metallici, con stabilità maggiore rispetto al rame.

I cristalli di grafene fatti crescere con questa tecnica formano esagoni perfetti, ma si formano rapidamente isole frattali in corrispondenza dei vertici. La spettroscopia Raman[23] ha mostrato che la mobilità elettronica dei cristalli di grafene (0.4 m²/Vs) è nettamente superiore a quella del silicio (0.15 m²/Vs), ma meno della metà di quella dell’arseniuro di gallio (0.85 m²/Vs). Il grafene bidimensionale però ha una mobilità elettronica compresa tra 1 e 20 m²/Vs (1.5 m²/Vs a temperatura ambiente).

4.1.5 Sputtering – Rice University

Il team di James Tour è riuscito a rimuovere singoli strati di grafene da locazioni specifiche, un processo essenziale per realizzare circuiti nei chip. In questo modo è quindi possibile gestire il numero di strati, determinando le proprietà del grafene: un singolo strato si comporta come un metallo, mentre un doppio strato come un transistor.

La tecnica utilizzata è molto semplice: tramite sputtering[24] con zinco è stato possibile danneggiare solamente il primo strato di grafene, successivamente è stato rimosso con acido cloridrico. I restanti piani, non danneggiati, non sono stati alterati. È stato possibile quindi creare litografie con precisione di un singolo atomo in direzione verticale. Avere precisione di un singolo atomo in direzione orizzontale consentirebbe di realizzare 10¹⁸ transistor con uno spessore di un atomo, con la possibilità di essere inseriti dentro i chip.

Vitor Pereira dell’università nazionale di Singapore ha dichiarato che si potranno avere differenti componenti elettronici realizzati e collegati assieme dal grafene, realizzando circuiti elettronici composti interamente di un singolo materiale.

Nella prossima parte verranno prese in considerazione altre applicazioni del grafene nell’elettronica, e verranno anche descritte le alternative all’utilizzo del grafene nell’elettronica.