Introduzione alla nanoelettronica: cos’è e quali vantaggi porta

I circuiti elettronici e i componenti al loro interno si riducono di anno in anno. La riduzione dei componenti è stata guidata dalla domanda dei consumatori che richiedono dispositivi sempre più piccoli e con le stesse prestazioni, se non migliori, della tecnologia preesistente. La nanoelettronica non solo riduce le dimensioni dei dispositivi, ma fornisce anche prestazioni uguali o migliori.

Cos’è la nanoelettronica?

Lo scaling (riduzione delle dimensioni) dei materiali tradizionali si è spinto tanto lontano fino a raggiungere un limite sulle dimensioni minime dei dispositivi, limite che è stato possibile superare grazie all’impiego di nuovi materiali e delle nuove nanotecnologie. In questo modo è nata una nuova branca dell’elettronica, la nanoelettronica.

L’uso di nanomateriali, cioè materiali delle dimensioni comprese tra 1 e 100 nanometri, presenta molti vantaggi. In genere, i nanomateriali sono intrinsecamente molto sottili, il che aiuta a rendere più piccoli i componenti di un dispositivo elettronico. La nanoelettronica comprende tutto ciò che sia su scala nanometrica, dalla tecnologia quantistica, alla spintronica, fino all’elettronica molecolare (cioè l’elettronica a molecola singola).

Nanomateriali per l’elettronica

La maggior parte dei dispositivi nanoelettronici è sviluppata utilizzando strati di film sottile, nanotubi, fullereni, nanofili, nanoparticelle e quantum dots. I nanomateriali possono fornire buone prestazioni elettriche, se non addirittura superiori, rispetto ai materiali “bulk” utilizzati nei componenti tradizionali e con l’ulteriore vantaggio di essere molto piccoli. Ciò è particolarmente vero per i nanomateriali conduttivi o semiconduttivi che spesso hanno conduttività elettrica e giunzioni più efficienti rispetto ai semiconduttori tradizionali realizzati con materiali “bulk”. Inoltre, molti nanomateriali sono intrinsecamente stabili alle alte temperature, un fattore molto importante quando i dispositivi si surriscaldano.

Sebbene i nanomateriali elettricamente conduttori ricevano la massima attenzione, ci sono anche molti nanomateriali isolanti che sono altrettanto importanti per proteggere alcune aree di un dispositivo elettronico. Infatti, la realizzazione di eterostrutture composte da uno strato di nanomateriale conduttivo tra due strati di isolanti può favorire i percorsi di corrente elettrica nel dispositivo: in questa maniera le cariche elettriche possono essere indirizzate nei percorsi più favorevoli e scelti dal progettista.

Il modo in cui vengono fabbricati i nanomateriali consente lo sviluppo di componenti di dimensioni inferiori. La maggior parte dei componenti semiconduttori tradizionali deve essere fabbricata utilizzando un approccio dall’alto verso il basso (top-down), ovvero un processo in cui un materiale più grande viene scomposto in strutture più piccole. In questa maniera, esistono dei limiti sulle dimensioni in quanto la precisione strutturale deve essere mantenuta, specialmente se si tratta di un’architettura complessa.

I nanomateriali possono anche essere realizzati in questo modo, ma se si desidera avere nanomateriali strutturalmente precisi e molto piccoli, è possibile realizzarli utilizzando un approccio dal basso verso l’alto (bottom-up), ovvero un processo di creazione atomo per atomo. È un approccio più controllato che consente di ridurre le dimensioni dei componenti e di adattarsi architettonicamente alla specifica applicazione.

Ambiti di applicazione della nanoelettronica

I campi di applicazione sono moltissimi. Questi spaziano dai sistemi di accumulo e generazione di energia, ai transistor, ai circuiti flessibili e stampabili, ai fotorilevatori, ai sensor ai display, alle memorie, ai trasmettitori radio di dimensioni nanometriche e ai dispositivi quantistici.

Una batteria a base di grafene è un esempio di un dispositivo nanoelettronico. Essa, realizzata con nanomateriali, può raggiungere una densità d’energia fino a 5-6 volte maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio (Li-ion) mantenendo dimensioni inferiori. Un transistor realizzato con nanotubi di carbonio rappresenta un altro esempio di componente elettronico di dimensioni nanometriche. Questi dispositivi sono costituiti da diversi nanomateriali e gli stessi componenti possono essere realizzati con materiali diversi a seconda delle efficienze desiderate, della facilità di fabbricazione e dei costi.

Il campo della nanoelettronica è cresciuto lentamente rispetto alla crescente domanda di componenti elettronici con dimensioni inferiori. Le applicazioni future molto probabilmente includeranno varie tecnologie quantistiche, e assisteremo ad un aumento della produzione di componenti nanoelettronici nei sistemi informatici classici e nei dispositivi di consumo e uso quotidiano.