Semiconduttori al Grafene – Sono Finalmente Arrivati?

Oggi, i semiconduttori alimentano il mondo moderno. Sono la spina dorsale dei dispositivi elettronici, e una scoperta mira a trasformare sostanzialmente l’industria elettronica. 

Detti anche microchip o circuiti integrati (IC), i semiconduttori sono materiali che hanno una conduttività elettrica compresa tra quella dei conduttori come alluminio e rame e quella degli isolanti come ceramica e vetro.

I semiconduttori sono sensibili alla luce e al calore, e la loro resistenza varia. La resistività di un semiconduttore diminuisce con l’aumento della temperatura, al contrario di quanto avviene per i metalli.

Alcuni esempi di semiconduttori includono silicio e germanio, che sono elementi puri e si trovano facilmente in natura. Poi ci sono composti come seleniuro di cadmio e arsenico di gallio. Inoltre, per modificare la conduttività o le proprietà dei materiali, piccole quantità di impurità vengono aggiunte ai semiconduttori puri mediante un processo chiamato drogaggio.

Quindi, a seconda della loro purezza, i semiconduttori sono classificati in — semiconduttori intrinseci, che sono materiali naturali costituiti da un unico tipo di atomo e possono essere usati direttamente nei dispositivi, e semiconduttori estrinseci, che devono essere prima drogati per poter essere utilizzati nei dispositivi. La trasformazione dei semiconduttori intrinseci genera due tipi di semiconduttori estrinseci: di tipo N o donatori e di tipo P o accettori.

I semiconduttori sono usati per diodi, che convertono corrente alternata in corrente continua, transistor o amplificatori di corrente, e circuiti elettronici, essenziali nella fabbricazione di diversi tipi di dispositivi elettronici.

Con i semiconduttori otteniamo il vantaggio di non avere filamenti. Pertanto, non è necessario riscaldarli per emettere elettroni. Questo significa anche che i semiconduttori possono essere operati immediatamente. Inoltre, sono di piccole dimensioni; quindi sono compatti, portatili e consumano meno energia. Inoltre, i semiconduttori non sono molto costosi.

I semiconduttori sono una parte integrante della nostra vita, poiché senza di essi non ci sarebbero TV, radio, computer, smartphone, automobili, frigoriferi e videogiochi. I semiconduttori consentono fondamentalmente la creazione di minuscoli interruttori che possono essere accesi e spenti per controllare il flusso di elettricità, poiché questa elettricità che scorre nei circuiti elettrici permette il funzionamento dei dispositivi elettronici.

Ciò rende i semiconduttori un componente essenziale dei dispositivi elettronici per consentire progressi nell’informatica, nelle comunicazioni, nella sanità, nei trasporti, nell’energia pulita, nella difesa, negli elettrodomestici, nell’hardware per il gaming e in molte altre applicazioni.

Negli ultimi decenni, gli sviluppi nella tecnologia dei semiconduttori hanno reso questi dispositivi elettronici non solo più piccoli, ma anche più veloci, sofisticati, compatibili e affidabili.

Le aziende che lavorano con i semiconduttori generalmente organizzano le loro attività intorno al design o alla produzione. Quelle che si concentrano sul design sono chiamate aziende “fabless”, mentre quelle che si concentrano solo sulla produzione sono chiamate “foundries”, e quelle che fanno entrambe sono chiamate Integrated Device Manufacturers, o IDM.

Negli ultimi anni, c’è stata una crisi dei semiconduttori. Dalla fine del 2020, dopo la pandemia e i lockdown, con l’aumento della domanda di dispositivi elettronici, si è verificata una carenza globale di microchip e circuiti elettronici.

Mentre le lezioni online, il lavoro a distanza e la crescente digitalizzazione hanno provocato una enorme crescita della domanda di dispositivi elettronici, i nuovi progressi tecnologici hanno portato a tecnologie dirompenti come IA, VR, 5G, big data e servizi cloud, che hanno ulteriormente aggravato la situazione.

In risposta a ciò, le aziende di tutto il mondo stanno investendo enormi risorse per trovare una soluzione al problema. 

Una Grande Scoperta: Il Primo Semiconduttore al Grafene Funzionale 

L’arseniuro di gallio è un semiconduttore popolare usato in celle solari, diodi laser e circuiti integrati a frequenza microonde. Tuttavia, il semiconduttore più comune in uso oggi è il Silicio, che svolge un ruolo cruciale nella fabbricazione della maggior parte dei circuiti elettronici. Ma il materiale sta raggiungendo i suoi limiti — richiede una grande quantità di energia, il che ha spinto gli scienziati a cercare un’alternativa.

E c’è un altro elemento, il grafene, che non è considerato un semiconduttore ma può essere usato per realizzare chip e circuiti. È un materiale altamente conduttivo che dissipa molto efficacemente il calore, migliorando le prestazioni dei componenti elettronici. Ha anche una velocità e un’efficienza energetica superiori rispetto al silicio senza necessitare grandi quantità di energia, rendendolo estremamente vantaggioso per la creazione di dispositivi elettronici.

Il grafene è un materiale estremamente sottile, costituito da uno strato di carbonio spesso un solo atomo, disposto in esagoni, ed è la base della grafite. Nonostante sia il materiale più sottile conosciuto dall’uomo, è molto resistente (circa 200 volte più forte dell’acciaio) e flessibile. 

Per non parlare del fatto che questo singolo foglio di atomi di carbonio è un eccellente conduttore di calore ed elettricità e possiede interessanti capacità di assorbimento della luce. Pertanto, questo materiale ha il potenziale per rivoluzionare molte applicazioni, inclusi sensori, celle solari, batterie e altro.

Tuttavia, il materiale non è privo di problemi, tra cui l’eccezionale conduttività elettrica del grafene, che lo rende difficile da utilizzare come semiconduttore. Pertanto, ha bisogno di una banda proibita (bandgap) che consenta ai semiconduttori di accendersi e spegnersi, cosa che di solito non possiede. Per introdurre un bandgap al grafene, gli scienziati hanno fabbricato grafene in forme specifiche o hanno usato altri materiali 2D che hanno un bandgap intrinseco, ma non sono riusciti a produrre un grafene semiconduttore praticabile.

Mentre gli scienziati lavorano con il grafene, è stato recentemente compiuto un importante passo avanti: i ricercatori hanno dimostrato il primo semiconduttore al grafene funzionale, il che significa cambiare per sempre il mondo del calcolo e dell’elettronica. Questo è stato ottenuto superando l’ostacolo che ha influenzato la ricerca sul grafene per molti anni, ovvero ottenere il giusto bandgap che potesse accendersi e spegnersi al rapporto corretto — rappresentando una fase cruciale per rendere reale l’elettronica basata su chip di grafene.

Il semiconduttore al grafene con un bandgap non è solo funzionale, ma può anche essere integrato nei processi di produzione esistenti. Pubblicato su Nature nella prima settimana del 2024, lo studio ha mostrato un semiconduttore al grafene funzionale che può essere usato nella nanoelettronica.

Per questo, Walter de Heer, professore di fisica al Georgia Institute of Technology, ha guidato un gruppo di ricerca e ha collaborato con l’Università di Tianjin in Cina. E ha detto:

“Ora abbiamo un semiconduttore al grafene estremamente robusto con una mobilità dieci volte superiore a quella del silicio, e che possiede anche proprietà uniche non disponibili nel silicio. Ma la storia del nostro lavoro negli ultimi dieci anni è stata: ‘Possiamo rendere questo materiale sufficientemente buono da funzionare?'”

All’inizio della sua carriera, De Heer ha iniziato esplorando materiali a base di carbonio come potenziali semiconduttori, per poi passare al grafene 2D oltre vent’anni fa. Il team era “motivato dalla speranza di introdurre tre proprietà speciali del grafene nell’elettronica” — un materiale estremamente robusto, la sua capacità di gestire correnti molto elevate, e farlo senza riscaldarsi e deteriorarsi.

Il passo avanti è stato raggiunto quando il team ha scoperto come far crescere il grafene su wafer di carburo di silicio — che sono utilizzati nei dispositivi elettronici e consentono una conversione efficiente dell’energia — utilizzando forni specializzati e un processo speciale di riscaldamento e raffreddamento.

Ciò ha portato al grafene epitassiale, che è uno strato che cresce sulla faccia cristallina del carburo di silicio (un composto cristallino duro contenente silicio e carbonio) e, se realizzato correttamente, si lega chimicamente al carburo di silicio mostrando proprietà semiconduttive.

Per realizzare un transistor funzionale, il team deve assicurarsi che le sue proprietà non vengano danneggiate quando il materiale semiconduttore viene manipolato per funzionare come transistor. Per questo, il team ha dovuto prima verificare se il materiale fosse un buon conduttore e utilizzare la tecnica del drogaggio, e ha funzionato senza danneggiare il materiale o le sue proprietà.

La transizione ai wafer di carburo di silicio, secondo de Heer, è “piuttosto fattibile”. Lo studio ha scoperto che il loro semiconduttore al grafene ha una mobilità molto superiore a quella del silicio, il che significa che gli elettroni si muovono con una resistenza molto bassa. Nell’elettronica, ciò si traduce in un calcolo più veloce.

“È come guidare su una strada sterrata rispetto a un’autostrada,” ha detto de Heer. “È più efficiente, non si riscalda tanto e consente velocità più elevate in modo che gli elettroni possano muoversi più velocemente.”

Scoperta Rivoluzionaria per Alimentare l’Elettronica del Futuro

È stato dopo dieci anni di ricerca che lo studio più recente ha scoperto come far crescere il grafene su chip speciali di carburo di silicio. Il team ha modificato le proprietà chimiche del grafene per ottenere la struttura desiderata in modo che il grafene possa comportarsi come un semiconduttore di alta qualità.

Parlando della realizzazione dell’elettronica al grafene, de Heer ha osservato:

“Abbiamo dovuto imparare come trattare il materiale, come renderlo sempre migliore, e infine, come misurare le proprietà. Ci è voluto molto, molto tempo.”

Il semiconduttore è attualmente solo bidimensionale (2D) con tutte le proprietà necessarie per essere usato nella nanoelettronica. Le sue proprietà elettriche sono anche molto superiori rispetto ad altri semiconduttori bidimensionali attualmente in sviluppo. Gli esperti credono che la scoperta possa cambiare completamente il volto dell’industria elettronica permettendoci di creare nuovi e potenti semiconduttori al grafene che consumano meno energia rispetto al silicio.

“Questa ricerca non solo ha mantenuto la straordinaria stabilità del grafene, ma ha anche introdotto nuove caratteristiche elettroniche, aprendo la strada ai chip basati sul grafene,” ha dichiarato il Science and Technology Daily di Pechino.

L’elettronica basata sul grafene è semplicemente più efficiente poiché necessita di meno energia per accendersi e spegnersi, e inoltre gli elettroni possono fluire senza produrre calore che poi deve essere raffreddato con ulteriore energia. Questo significa che “i telefoni potrebbero durare settimane senza esaurire la batteria, riducendo il consumo energetico in tutti gli ambiti della nostra vita, diminuendo i costi e l’inquinamento da combustibili fossili,” ha detto Sarah Haigh, professoressa di materiali al National Graphene Institute del Regno Unito, Università di Manchester, in un’intervista.

Ciò potrebbe aprire la strada a chip che alimentano computer personali più avanzati e computer quantistici in futuro. 

I ricercatori hanno osservato nello studio che gli elettroni in questa alternativa al silicone, proprio come la luce, possiedono proprietà simili a onde meccaniche quantistiche. Queste proprietà possono essere sfruttate a temperature molto basse. I ricercatori ora intendono approfondire questo aspetto in ricerche successive.

Il grafene epitassiale consente agli elettroni di muoversi con meno resistenza, il che significa che i transistor realizzati in questo modo possono operare a frequenze terahertz. Aiuta a superare i limiti del silicio, che includono la velocità di commutazione dei transistor, le dimensioni minime possibili e il calore generato. 

In questo modo, il nuovo materiale potrebbe provocare un cambiamento di paradigma nel campo dell’elettronica, consentendo l’utilizzo delle proprietà ondulatorie quantistiche degli elettroni, requisito per il calcolo quantistico. Un passo importante verso la prossima generazione di calcolo, questo può aprire le porte a un nuovo modo di costruire elettronica più piccola e più veloce.

Come ha sottolineato de Heer, non è solo la capacità del grafene di “rendere le cose più piccole, più veloci e con minore dissipazione di calore”, ma anche l’utilizzo delle “proprietà degli elettroni non accessibili nel silicio”, presentando “un cambiamento di paradigma — è un modo diverso di fare elettronica.” 

Ciò significa che un’altra generazione di elettronica è ora imminente. Per molto tempo, il silicio ha guidato l’elettronica, un passo avanti rispetto ai tubi a vuoto, che a loro volta sono seguiti da fili e telegrafi, e ora il grafene sarà il prossimo leader.

“Per me, è come il momento dei fratelli Wright,” ha detto de Heer. “Hanno costruito un aereo che poteva volare a 300 piedi di altezza. Ma gli scettici chiedevano perché il mondo avesse bisogno del volo quando aveva già treni veloci e navi. Tuttavia hanno perseverato, ed è stato l’inizio di una tecnologia che può portare le persone attraverso gli oceani.”

Inoltre, può essere scalato. In precedenza, il grafene aveva mostrato potenzialità come semiconduttore, ma solo su piccola scala. Scalare i semiconduttori al grafene a dimensioni pratiche di chip per computer è stato difficile. Tuttavia, l’ultimo passo avanti ha utilizzato un processo simile alle tecniche impiegate nella creazione di chip di silicio ed è compatibile con i metodi di lavorazione della microelettronica convenzionali, rendendo più fattibile la scalabilità.

La ricerca ha utilizzato wafer, che, secondo David Carey dell’Università di Surrey nel Regno Unito, è “davvero, veramente scalabile”, e la tecnologia attualmente usata dall’industria dei semiconduttori può essere impiegata per “scalare questo processo”.

Detto ciò, resta da vedere se i più recenti semiconduttori al grafene potranno effettivamente superare le prestazioni della tecnologia superconduttrice attuale. Inoltre, per far sì che il mondo passi ai chip al grafene, sarà necessario perfezionare la ricerca in termini di qualità, dimensioni e tecniche di produzione. Ciò significa che sarà un lungo percorso, e potrebbe richiedere più di un decennio per realizzare pienamente l’implementazione industriale dei semiconduttori al grafene.

Clicca qui per l’elenco dei dieci migliori titoli di attrezzature per semiconduttori.