Grafene: un nuovo tipo di semiconduttore

Il grafene potrebbe segnare una vera rivoluzione nel mondo dell’elettronica. Si assisterà così al tramonto del silicio nella realizzazione dei microchip, in quanto il grafene riserva delle novità davvero interessanti.

Perchè il grafene

L’importanza di questa ricerca secondo i ricercatori sta nella differente gestione di elettroni tra gli usuali chip in silicio e quelli al grafene, che vedremo nei prossimi anni. Prossimamente quindi i computer potranno essere molto più veloci e consumare meno elettricità.

Inoltre esistono anche nuove applicazioni offerte dal grafene che permette di usare anche le proprietà ondulatorie degli elettroni, fondamentali per lo sviluppo dei computer quantistici.

La ricerca

L’idea nasce quando De Heer e il suo team hanno capito come coltivare il grafene su wafer di carburo di silicio utilizzando forni speciali. Hanno prodotto quindi il grafene epitassiale, che è un singolo strato che cresce su una faccia cristallina del carburo di silicio. Quando il grafene si legava chimicamente al carburo di silicio e iniziava a mostrare proprietà semiconduttrici.

Ad occuparsene è stato un team di ricerca Sino-Americano, condotta dal Georgia Tech, dove è stato perfezionato il materiale, in collaborazione con i colleghi del Centro internazionale per le nanoparticelle e i nanosistemi dell’Università di Tianjin in Cina. Gli scienziati hanno scoperto che il grafene, al contrario del silicio, non è un semiconduttore ma comincia a comportarsi come tale se viene fissato in cinque strati sovrapposti.

I risultati sono stati pubblicati su Nature Science Journal il 3 gennaio 2024, ma già anni addietro era stato messo in atto questo studio. Infatti De Heer ha iniziato a esplorare materiali a base di carbonio come potenziali semiconduttori all’inizio della sua carriera, per poi passare al grafene 2D nel 2001. Successivamente, nel 2014, ha fondato un centro con Lei Ma, direttore del centro e coautore dell’articolo.

Caratteristiche chimiche del grafene

L’elemento nella sua forma naturale è un semimetallo, cioè né un semiconduttore né un metallo. Il principio di funzionamento dei transistor e dei componenti elettronici al silicio si basa su un band gap, ovvero un materiale che può essere acceso e spento quando gli viene applicato un campo elettrico. La questione principale nella ricerca sull’elettronica del grafene era come accenderlo e spegnerlo in modo che potesse funzionare come il silicio.

Per la realizzazione di un transistor funzionante è necessario manipolare il materiale semiconduttore. Questo però può danneggiarne le proprietà. Dunque il team ha messo degli atomi sul grafene che “donano” elettroni al sistema, chiamati donori, per vedere se il materiale era un buon conduttore. L’esperimento ha mostrato che il materiale non è stato danneggiato e le sue proprietà non sono state alterate.

Caratteristiche funzionali

Si tratta di una struttura sottilissima, sapendo che la molecola è costituita da strati di un singolo atomo di carbonio. Al contrario del silicio, il quale oppone comunque una certa resistenza al passaggio degli elettroni, il grafene in questa configurazione appare più “liscio” al passaggio degli elettroni.

In questo modo si evita il surriscaldamento dei chip ed è possibile miniaturizzare ancora di più i circuiti, consumando così meno elettricità per farli funzionare e anche per raffreddarli. Inoltre la capacità di calcolo potrebbe aumentare in maniera esponenziale.

Prospettive future

Il grafene epitassiale potrebbe comportare un cambiodi paradigma nel campo dell’elettronica, rivoluzionando quest’ambito con tecnologie completamente nuove che sfruttano le sue proprietà uniche. Ad esempio sarà possibile utilizzare le proprietà ondulatorie quantomeccaniche degli elettroni del materiale, requisito necessario per l’informatica quantistica.

Nel frattempo i ricercatori hanno dovuto imparare come trattare il materiale, come renderlo sempre migliore e infine come misurarne le proprietà. Ciò ha richiesto molto, molto tempo, ma ha dato dei risultati che portano ad una vera e propria rivoluzione tecnologica.