Per decenni, gli scienziati hanno provato a sfruttare le particolari proprietà dei nanotubi di carbonio per creare dispositivi elettronici (partendo dai transistor) ad alte prestazioni che siano più veloci e meno dispendiosi di energia, di modo da ridurre i consumi energetici, avere comunicazioni wireless più veloci, ed ottenere smartphone e computer più performanti.
Ma un gran numero di problemi hanno impedito lo sviluppo dei transistor ai nanotubi di carbonio ad alte performance, piccoli cilindri dallo spessore di un solo atomo. Di conseguenza, le loro performance sono rimaste indietro rispetto ai conduttori al silicio o all’arseniuro di gallio usati nei chip dei computer e nell’elettronica di consumo.
Ora per la prima volta, all’Università del Wisconsin–Madison, ingegneri dei materiali hanno creato dei transistor ai nanotubi di carbonio che superano le prestazioni dei transistor al silicio.
Il team guidato da Michael Arnold e Padma Gopalan, professori di scienza dei materiali della UW-Madison, sono riusciti a far passare correnti 1.9 volte superiori rispetto ai transistor al silicio. I ricercatori hanno riportato la loro scoperta in un paper pubblicato Venerdì 2 Settembre 2016 sulla rivista Science Advances.
“Questo risultato è stato il sogno della nanotecnologia degli ultimi 20 anni.” dice Arnold. “Creare transistor ai nanotubi di carbonio è una scoperta critica verso l’implementazione dei nanotubi di carbonio nei circuiti logici, nelle comunicazioni ad alta velocità, ed altre tecnologie elettroniche a semiconduttore.”
Questa scoperta potrebbe aprire la strada ai transistor ai nanotubi di carbonio che potrebbero sostituire i transistor al silicio e continuare ad incrementare le prestazioni nell’industria dei computer. I nuovi transistor sono particolarmente promettenti nelle tecnologie di comunicazione wireless che richiedono importanti flussi di corrente in aree relativamente piccole.
Così come i migliori conduttori elettronici scoperti, i nanotubi di carbonio sono stati riconosciuti come materiali promettenti per la prossima generazione di transistor.
I transistor ai nanotubi di carbonio dovrebbero essere 5 volte più veloci ed in grado di usare un quinto dell’energia rispetto ai transistor al silicio, in accordo con l’estrapolazione di misure da singolo nanotubo. La dimensione ultra-piccola dei nanotubi rende possibile cambiare un segnale elettrico che lo attraversa in maniera estremamente rapida, che potrebbe portare ad un importante risultato nel campo dei dispositivi di comunicazione wireless.
Ma i ricercatori hanno avuto non poche difficoltà ad ottenere questi risultati: isolare i nanotubi di carbonio è stata un impresa davvero difficile in quanto presentano impurità che si comportano come fili di rame ed interrompono le proprietà semiconduttore, generando un corto circuito.
Il team della UW–Madison ha sfruttato polimeri per organizzare selettivamente i nanotubi semiconduttivi, raggiungendo una purezza estrema.
“Abbiamo identificato specifiche condizioni in cui ci si può sbarazzare di tutti i nanotubi metallici in cui c’è meno dello 0.01% di nanotubi metallici” ha detto Arnold.
Posizione ed allineamento dei nanotubi è inoltre difficile da controllare.
Per fare un buon transistor, i nanotubi devono essere allineati nel giusto verso, con la giusta distanza, quando assemblati su un wafer. Nel 2014, i ricercatori della UW-Madison hanno vinto questa sfida quando hanno annunciato una tecnica, chiamata “floating evaporative self-assembly” che permette di effettuare questa disposizione.
I nanotubi devono fare bene contatto con gli elettrodi metallici del transistor. Visto che il polimero utilizzato dai ricercatori per isolare i nanotubi semiconduttivi si comporta come strato isolante tra i nanotubi e gli elettrodi, il team ha “cotto” insieme gli strati dei nanotubi in un forno sotto vuoto per rimuovere gli strati isolanti. Il risultato: contatti elettrici eccellenti con i nanotubi.
I ricercatori inoltre hanno sviluppato un trattamento che rimuove i residui dai nanotubi dopo che sono stati processati in una soluzione.
“Nella nostra ricerca, abbiamo mostrato che è possibile raggiungere questi risultati simultaneamente sui nanotubi, e ci ha permesso di creare questi transistor ai nanotubi di carbonio che sono superiori ai transistor al silicio e all’arseniuro di gallio” dice Arnold.
“Ci sono state un sacco di strutture di nanotubi di carbonio che non sono state realizzate, e questo ha influenzato negativamente l’opinione di molti. Ma noi crediamo che questa struttura riceverà il giusto riconoscimento.”
Michael Arnold
I ricercatori hanno testato i loro transistor ai nanotubi di carbonio contro i transistor al silicio della stessa misura, geometria e con la stessa dispersione di corrente di modo da avere un confronto testa a testa.
Stanno continuando a lavorare di modo da adattare i propri dispositivi a trovare la geometria utilizzata nei transistor al silicio, che li renderebbe sempre più piccoli in ogni nuova generazione. Il lavoro è in procinto di sviluppare amplificatori radio frequenza ad alte prestazioni che saranno in grado di potenziale il segnale dei cellulari. In questo senso i ricercatori hanno ridotto allineamento e disposizione su un wafer da 1 pollice per 1 pollice, e stanno lavorando per portare il tutto alla produzione di massa.
Arnold dice che è entusiasta di aver raggiunto il punto in cui i ricercatori riescono a produrre i nanotubi che raggiungono le performance delle attuali tecnologie.
“Ci sono state un sacco di strutture di nanotubi di carbonio non realizzate, e questo ha influenzato negativamente l’opinione di molti” dice Arnold. “Ma noi crediamo che questa struttura riceverà il giusto riconoscimento. Sono stati necessari decenni di lavoro per lo studio dei materiali in grado di permetterci di lavorare in maniera efficace”.
I ricercatori hanno brevettato la loro tecnologia attraverso la Wisconsin Alumni Research Foundation.
Finanziato dalla National Science Foundation, l’Army Research Office e l’Air Force.
Altri autori della ricerca includono Harold Evensen, un professore di ingegneria fisica, Gerald Brady uno studioso di scienze dei materiali laureato in ingegneria che ha guidato lo studio, uno studente laureato Austin Way ed un ricercatore postdottorato Nathaniel Safron.