Creato il primo semiconduttore al grafene: si apre un futuro dell’elettronica oltre il silicio

Un team di ricerca cinese-statunitense ha sintetizzato per la prima volta un semiconduttore funzionale a partire dal grafene, in un possibile balzo in avanti per il calcolo superveloce oltre i chip di silicio.
Il grafene è un materiale semplice, costituito da un solo strato di atomi di carbonio, che si dice sia un milione di volte più sottile di un capello umano. Ma è più resistente di quasi ogni altra cosa in natura e batte il silicio a mani basse quando si tratta di potenziale elettronico. Però sinora alcuni fattori di carattere fisico avevano impedito

Da quando il grafene è stato scoperto nel 2004, gli scienziati hanno cercato di utilizzarlo, in combinazione con altri materiali di carbonio, per ideare un nuovo tipo di chip che consumasse meno energia e funzionasse più velocemente di qualsiasi semiconduttore esistente.
Questa impresa a lungo sfuggita potrebbe ora essere vicina alla realtà, secondo i nanoscienziati dell’Università cinese di Tianjin e del Georgia Institute of Technology, i cui risultati sono stati pubblicati mercoledì sulla rivista Nature.

I media statali cinesi hanno salutato l’impresa come un importante passo avanti per l’utilizzo del grafene nella produzione di chip.
“Questa ricerca non solo ha mantenuto la notevole stabilità del grafene, ma ha anche introdotto nuove caratteristiche elettroniche, spianando la strada ai chip basati sul grafene”, ha dichiarato il Science and Technology Daily di Pechino in un articolo di venerdì.

Lo studio è stato condotto dai professori Ma Lei dell’Università di Tianjin e Walt de Heer del Georgia Tech. Entrambi si sono concentrati sull’elettronica al grafene e su altri materiali bidimensionali da quando, nel 2018, hanno fondato il Tianjin International Centre for Nanoparticles and Nanosystems presso la Tianjin University.

Conosciuto come il primo materiale bidimensionale stabile a temperatura ambiente, la particolare struttura elettronica del grafene significa anche che ha un “bandgap” pari a zero, ovvero non c’è differenza di energia quando gli elettroni nei semiconduttori saltano tra le bande a bassa e alta energia. Se non c’è differenza di energia non c’è possibilità di utilizzare il materiale come semiconduttore. La mancanza di questo gap naturale ostacola le capacità semiconduttive del grafene, rendendolo meno adatto ai dispositivi elettronici.

Superare questa sfida senza perdere le proprietà intrinseche del grafene è un passo fondamentale per il suo utilizzo pratico nell’elettronica,  “Il motivo per cui la nostra ricerca è apprezzata è che può davvero rendere l’elettronica al grafene pratica in futuro e rimuovere l’ostacolo più grande”.
Il nuovo metodo crea uno strato speciale sul grafene che genera lo spazio necessario per gli elettroni e permette loro di muoversi molto rapidamente, molto più velocemente rispetto al silicio e a materiali simili.

Si tratta di un grande passo avanti per l’utilizzo del grafene nei dispositivi elettronici, che gli conferisce le proprietà giuste per funzionare bene come semiconduttore. Per ottenere questa scoperta, Ma e il suo team hanno utilizzato un metodo chiamato ricottura di quasi-equilibrio, che prevede un attento riscaldamento e raffreddamento di un materiale per modificarne la struttura. Il processo inizia riscaldando un substrato di carburo di silicio in un forno e mantenendolo poi a varie temperature per periodi specifici. In questo modo si formano superfici lisce e piatte, ideali per l’aggiunta di uno strato noto come “epigrafene”. Questo strato è fondamentale perché introduce la necessaria lacuna di elettroni, rendendo il grafene adatto ai dispositivi elettronici. Inoltre, garantisce che il grafene sia resistente e facile da lavorare, promettendo un’ampia applicazione commerciale nei dispositivi elettronici.