Creato il primo semiconduttore funzionante fatto di grafene

Un team di ricercatori del Georgia Institute of Technology (ma anche di Atlanta e Tianjin in Cina), guidato dal professor Walter de Heer, ha creato il primo semiconduttore funzionante fatto di grafene, un materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, da tempo studiato per le sue caratteristiche - elettriche, meccaniche e non solo - di gran lunga superiori al silicio.

Quanto ottenuto potrebbe potenzialmente consentire di realizzare semiconduttori più veloci di quelli attuali e in grado di scaldare meno. Un aspetto interessante è che il semiconduttore in grafene è compatibile con le tecniche di produzione tradizionali usate per i semiconduttori in silicio.

Lo studio, pubblicato su Nature, spiega come i ricercatori siano riusciti a superare il principale problema che finora ha ostacolato l'adozione del grafene nell'elettronica, ovvero l'assenza di "band gap", una proprietà elettronica che permette ai semiconduttori di accendersi e spegnersi quando viene applicato un campo elettrico (è così che funzionano tutti i transistor e i componenti elettronici in silicio). In pratica, si tratta dell'energia minima che consente di spostare un elettrone dalla sua banda di valenza alla banda di conduzione.

"Ora disponiamo di un semiconduttore di grafene estremamente robusto, con 10 volte la mobilità del silicio e che ha anche proprietà uniche non disponibili nel silicio", ha affermato de Heer, il quale studia il grafene bidimensionale dal 2001. Gli elettroni si muovono quindi con una resistenza molto bassa, il che, in elettronica, si traduce in un'elaborazione più veloce e minor calore.

La svolta è arrivata quando de Heer e il suo team hanno capito come far crescere il grafene su wafer di carburo di silicio usando forni speciali. Hanno prodotto il grafene epitassiale, un singolo strato che cresce su una faccia cristallina del carburo di silicio. Il team ha scoperto che, quando veniva realizzato correttamente, il grafene epitassiale si legava chimicamente al carburo di silicio e iniziava a mostrare proprietà semiconduttrici.

Il semiconduttore bidimensionale ottenuto possiede tutte le proprietà necessarie per essere utilizzato nella nanoelettronica. "Un problema di vecchia data nell'elettronica del grafene è che il grafene non aveva la giusta band gap e non poteva accendersi e spegnersi con il rapporto corretto", ha aggiunto Lei Ma, coautore dello studio. "Nel corso degli anni, molti hanno cercato di risolvere questo problema con un varietà di metodi. La nostra tecnologia raggiunge il band gap ed è un passo cruciale nella realizzazione dell'elettronica basata sul grafene".

Il grafene epitassiale potrebbe quindi portare a un cambio di paradigma nel settore dell'elettronica e permettere di realizzare tecnologie completamente nuove che sfruttano le sue proprietà uniche. Il materiale, tra l'altro, consente di usare le proprietà ondulatorie quantomeccaniche degli elettroni, un requisito per l'informatica quantistica.

Secondo de Heer, il silicio è uno dei tanti passi nella storia dell'elettronica e il prossimo passo potrebbe essere il grafene. "Per me, questo è un momento come quello dei fratelli Wright", ha detto il professore. "Hanno costruito un aereo che poteva volare a 300 piedi di altezza. Ma gli scettici si sono chiesti perché il mondo avrebbe avuto bisogno del volo quando aveva già treni veloci e barche. Ma hanno insistito, e questo è stato l'inizio di una tecnologia in grado di portare le persone attraverso oceani".

Intervistato da New Scientist, David Carey dell'Università del Surrey, nel Regno Unito, ha applaudito il lavoro di de Heer e del suo team, ma si è detto scettico sul fatto che questo sviluppo significhi che il mondo passerà presto dal silicio ai chip di grafene.

La nuova ricerca richiede infatti molti miglioramenti in termini di dimensioni dei transistor, qualità e tecniche di produzione, ma a placare gli entusiasmi c'è anche il vantaggio che il silicio possiede, cioè quello di essere un materiale rodato e ancora, seppur si avvicini al suo limite fisico, che ha ancora qualcosa da dire e da dare.

"La maggior parte delle persone che lavorano con il silicio sono bombardate quotidianamente da nuovi, meravigliosi materiali che stanno per sostituirlo e nulla di tutto ciò è mai accaduto", ha sentenziato Carey.