Materiali bidimensionali per l’elettronica del futuro

Il transistor, inventato nel 1948 presso i laboratori Bell, negli Stati Uniti – nel 1956 John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley ricevono il Premio Nobel per la Fisica per l’invenzione del transistor – è il motore principale della rivoluzione tecnologica che ha portato formidabili capacità di calcolo e comunicazione nei nostri PC e nei nostri smart phone.

Grafica di un transistore in disolfuro di molibdeno

Ricercatori dell’Università di Pisa con i colleghi dell’Istituto Italiano di Tecnologia, del Massachusetts Institute of Technology (MIT), dell’Università di Notre Dame, dell’Università di Dallas, della società di ricerca AMO e di Texas Instruments hanno pubblicato di recente, sulla rivista Nature Nanotechnology, uno studio su transistor sempre più piccoli e a basso consumo; non più di silicio, come quelli antesignani ma di una classe di materiali, come il grafene e di uno spessore così infinitesimale che sono detti materiali bidimensionali o 2D.

Il merito della loro applicazione spetta a due fisici premi Nobel del 2010, Konstantin Novoselov e Andre Geim, che sono riusciti ad ottenere, dalla normale grafite, la stessa delle matite per disegnare, un materiale “bidimensionale” che è stato chiamato grafene, il cui spessore è di un solo atomo. In realtà, gli atomi, sebbene infinitamente piccoli, occupano comunque tre dimensioni nello spazio.

Gianluca Fiori

Grazie alla sua natura e alla particolare disposizione dei suoi atomi di carbonio, isolati all’interno di un piano bidimensionale, il grafene perde per strada molto meno energia rispetto ai conduttori di silicio e determina una maggiore resa di efficienza di conduzione a basso costo di energia.

«Negli ultimi anni la comunità scientifica ha mostrato un forte interesse per i materiali bidimensionali come sostituti del silicio in elettronica – spiega Gianluca Fiori del dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa – materiali dello spessore di un solo atomo come i calcogenuri dei metalli di transizione (TMD), il seleniuro di bismuto o il grafene, che per questo motivo sono promettenti per la realizzazione di transistor piccolissimi, fino a cinque nanometri – un nanometro equivale a un milionesimo di millimetro –, mentre quelli attuali sono circa 20 nanometri. Per rendersi conto delle dimensioni, un virus è circa 100 nanometri, un batterio è circa mille nanometri  e lo spessore di un capello è circa centomila nanometri».

Giuseppe Iannaccone

La tecnologia attuale consente di mettere alcuni miliardi di transistor in un chip, un tassello di silicio di circa due centimetri quadrati.

«Questo studio è il risultato di una serie di progetti finanziati dalla Commissione europea e del progetto di collaborazione fra l’Università di Pisa e il MIT Boston – ha sottolineato Giuseppe Iannaccone del dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Ateneo pisano – la tecnologia di produzione e di lavorazione di questi materiali è ancora allo stato embrionale, per cui si tratta di ricerche di frontiera fortemente interdisciplinari, con un orizzonte temporale a medio e lungo termine. Oggi, oltre ai transistor, questi materiali sembrano particolarmente promettenti per la realizzazione di sistemi elettronici flessibili per sistemi indossabili o applicati su superfici curve».

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