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Per decenni, gli scienziati hanno cercato di sfruttare le proprietà uniche dei nanotubi di carbonio per creare dispositivi elettronici più veloci e con consumi inferiori da utilizzare per migliorare ulteriormente le prestazioni degli attuali dispositivi elettronici – smartphone e computer – basati sul silicio.
Una serie di difficoltà hanno tuttavia impedito lo sviluppo di transistor ad elevate prestazioni realizzati con nanotubi di carbonio, minuscoli cilindri in carbonio dello spessore di un atomo. Di conseguenza, ancora oggi, il silicio e l’arseniuro di gallio sono le sostanze più utilizzate nella moderna elettronica.
Ora, per la prima volta, ricercatori della University of Wisconsin-Madison sono riusciti a realizzare transistor di nanotubi di carbonio con prestazioni molto più elevate di quelle dei transistor al silicio.
Guidato da Michael Arnold e Padma Gopalan, professori di scienza dei materiali e ingegneria alla UW-Madison, il team di ricercatore è riuscito a realizzare un transistor con nanotubi di carbonio in grado di gestire una densità di corrente di 1,9 volte superiore ai transistor al silicio come evidenziato nell’articolo di presentazione della ricerca pubblicato sulla rivista Science Advances.
“Questo risultato è stato il sogno degli ultimi 20 anni nel campo delle nanotecnologie” afferma Arnold. “Realizzare transistor con nanotubi di carbonio con prestazioni superiori a quelli al silicio rappresenta un grande traguardo. Questo importante passo avanti in termini di prestazioni dei transistor di nanotubi di carbonio è un progresso fondamentale verso lo sfruttamento di questa tecnologia nei dispositivi digitali, wireless e in generale in tutta l’industria dei semiconduttori.”
Questo il video diffuso dalla stessa università:
Questa ricerca potrebbe aprire la strada per continuare quell’incremento delle prestazioni di calcolo dei computer che si aspettano i consumatori. La nuova tecnologia è particolarmente promettente anche per quanto riguarda le comunicazioni wireless dove tantissima corrente fluisce in un’area relativamente piccola dei dispositivi attivi.
Da tempo i nanotubi di carbonio sono considerati tra i più promettenti materiali per realizzare transistor di nuova generazione: teoricamente dovrebbero consentire velocità cinque volte superiori con consumi in corrente cinque volte inferiori.
Le microscopiche dimensioni dei nanotubi rendono possibili rapidissimi cambiamenti di segnale, con un incremento significativo della banda passante e delle prestazioni a radiofrequenza.
Il segreto dei risultati raggiunti sta nella capacità di eliminare le impurità nella struttura dei nanotubi di carbonio, impurità che agiscono come dei fili di rame e riducono notevolmente le proprietà di semiconduttore del nanotubo.
Il team della UW-Madison ha fatto ricorso a dei polimeri per selezionare ed ottenere dei nanotubi con una grandissima purezza.
“Nel nostro lavoro abbiamo identificato le condizioni per eliminare i nanotubi metallici la cui concentrazione, alla fine, risulta inferiore allo 0,01 %.” afferma Arnold.
Anche il posizionamento e l’allineamento dei nanotubi è molto difficile da ottenere; per fare una buona transistor, i nanotubi debbono essere allineati correttamente e col giusto spazio all’interno del wafer. Nel 2014 i ricercatori dell’UW-Madison avevano superato questa prima sfida con una tecnica chiamata “Floating evaporative self-assembly” che consente di ottenere questi risultati.
Un altro problema affrontato e risolto è quello dei contatti tra terminali elettrici e nanotubo: l’impiego del polimero utilizzato per eliminare le impurità rende non conduttivo il nanotubo che deve essere sottoposto ad un processo di “cottura” in prossimità delle aree di contatto coi terminali metallici.
“Nella nostra ricerca, abbiamo dimostrato di essere in grado di superare tutte queste sfide e di realizzare dei transistor con prestazioni superiori a quelle del silicio e dell’arseniuro di gallio,” spiega Arnold.
I ricercatori hanno confrontato il loro transistor a nanotubi di carbonio con un equivalente (dimensioni, geometria e corrente di dispersione) transistor al silicio, in modo da avere un termine di paragone significativo.
Alla UW-Madison i ricercatori continuano a lavorare alla geometria dei loro dispositivi per renderla quanto più simile a quella dei transistor al silicio, che si riduce ad ogni nuova generazione. Il team è anche al lavoro per sviluppare amplificatori a radiofrequenza che potrebbero trovare ampio impiego nei dispositivi “mobile”, mentre hanno già scalato il processo di allineamento e deposizione su wafer da 1 pollice, muovendosi verso processi più commerciali di produzione.
I ricercatori hanno brevettato la tecnologia attraverso la Wisconsin Alumni Research Foundation.
