Una nuova forma di carbonio sperimentata da Walter de Heer apre la strada a processori per il computer veloci e compatti.
di Kevin Bullis
Chi
Walter de Heer, Georgia Tech
Caratteristiche
Transistor basati sul grafene, un materiale costituito da uno strato di carbonio della consistenza di un atomo, potrebbero possedere straordinarie proprietà elettroniche.
Sviluppi
Le applicazioni iniziali saranno nei chip per le comunicazioni a velocità ultra elevata, con a seguire i processori per computer.
Contesto
Numerosi ricercatori universitari e diverse aziende elettroniche sono interessati all’elettronica basata sul grafene.
Il considerevole incremento della velocità dei computer negli ultimi decenni potrebbe essere alla fine, in parte perché il silicio sta raggiungendo i suoi limiti fisici. Ma a dicembre dello scorso anno, a Washington, in una piccola sala riunioni stipata soprattutto di esponenti dell’industria dei semiconduttori, Walter de Heer, docente di fisica della Georgia Tech, ha presentato il suo ultimo lavoro su una alternativa che potrebbe essere ancora più veloce del silicio. Il materiale è il grafene, una sostanza del tutto normale che si trova nelle punte delle matite.
I modelli teorici avevano già previsto che il grafene, una forma di carbonio costituita da strati spessi un atomo, poteva rendere i transistor centinaia di volte più rapidi di quelli attuali al silicio. Nella sua presentazione, de Heer ha sostenuto di aver prodotto schiere di centinaia di transistor in grafene su un singolo chip. Anche se i transistor sono ancora lontani dal mantenere le promesse più ottimistiche del materiale, le schiere, che sono state prodotte in collaborazione con il Lincoln Laboratory del MIT, mostrano con evidenza che il grafene sarà prezioso per le future generazioni di prodotti elettronici.
Gli attuali processori per computer in silicio possono garantire solo un limitato numero di operazioni al secondo senza surriscaldamento. Invece, gli elettroni che si muovono attraverso il grafene, incontrando quasi nessuna resistenza, generano una quantità modesta di calore. Inoltre, il grafene è un buon conduttore termico, consentendo al calore di dissiparsi rapidamente. A causa di questi e altri fattori, l’elettronica basata sul grafene può funzionare a velocità molto superiori. “Esiste un limite definitivo alla velocità del silicio; una volta raggiunto questo limite, non si può andare oltre”, spiega de Heer. Le prestazioni del silicio al momento non vanno oltre il livello del gigahertz, mentre con il grafene, come dice de Heer “si può raggiungere il terahertz, vale a dire un fattore mille volte superiore al gigahertz. E se riusciremo ad andare ancora oltre, ne vedremo delle belle”.
Oltre a rendere i computer più rapidi, l’elettronica al grafene potrebbe essere utile per le tecnologie di comunicazione e di imaging che richiedono transistor ultraveloci. Probabilmente il grafene troverà il suo primo uso nelle applicazioni ad alta frequenza come l’imaging delle onde radio terahertz, che possono essere impiegate nella ricerca di armi nascoste. La velocità non è, comunque, l’unico punto di forza del grafene. Il silicio non può essere incisoo in pezzi inferiori a circa 10 nanometri senza perdere le sue importanti proprietà elettroniche. Invece la fisica di base del grafene rimane immutata – anzi, per molti aspetti le sue proprietà elettroniche migliorano – in parti più piccole di un manometro.
L’interesse verso il grafene è stato alimentato dalla ricerca sui nanotubi al carbonio come successori potenziali del silicio. I nanotubi al carbonio, che sono essenzialmente fogli di grafene arrotolati in cilindri, possiedono eccellenti proprietà elettroniche che potrebbero garantire prestazioni di altissimo livello. Ma i nanotubi devono essere attentamente selezionati e posizionati per produrre circuiti complessi e i sistemi per fare questo tipo di operazioni sono ancora poco sviluppati. La verità è che appare di gran lunga più semplice lavorare con il grafene.
Gli apparecchi che de Heer ha presentato a dicembre sono stati incisi nel grafene usando tecniche molto simili a quelle che si usano oggi per produrre i chip al silicio. “Per questa ragione l’industria guarda attentamente a quello che stiamo facendo”, chiarisce de Heer. “Possiamo modellare il grafene usando in realtà gli stessi metodi sfruttati con il silicio. Agli occhi degli industriali non sembra un progetto scientifico, ma una semplice tecnologia”.
Il grafene non è stato sempre considerato un promettente materiale elettronico. Da una parte, non svolge naturalmente il tipo di funzione di commutazione essenziale per i computer. I semiconduttori come il silicio possono condurre gli elettroni in un determinato stato, ma possono anche essere indotti a uno stato di conduttività molto bassa, in cui sono sostanzialmente disattivati. Al contrario, la conduttività del grafene si può leggermente modificare, ma senza arrivare alla disattivazione. Questo processo è perfetto per alcune applicazioni, come i transistor ad alta frequenza per l’imaging e le comunicazioni, ma questi transistor sarebbero poco efficienti nel caso dei processori per computer.
Nel 2001, comunque, de Heer ha utilizzato un modello computerizzato per mostrare che, se potesse essere modellato in strisce ristrette, il grafene si comporterebbe come un semiconduttore (Altri ricercatori, come de Heer è venuto successivamente a sapere, avevano già fatto un’osservazione simile). In realtà, de Heer non è ancora riuscito a produrre strisce di grafene così sottili da comportarsi come previsto. Ma due altri metodi si prefiggono gli stessi obiettivi: il grafene chimicamente modificato e la collocazione di uno stato di grafene sopra alcuni sostrati. Nella sua presentazione a Washington, de Heer ha descritto come le strisce di grafene modificato con ossigeno possono indurre il comportamento di un semiconduttore. Mettendo insieme queste diverse tecniche, ritiene de Heer, si potrà produrre quel comportamento di commutazione necessario ai transistor dei processori dei computer.
Nel frattempo, le promesse dell’elettronica al grafene ha catturato l’attenzione dell’industria dei semiconduttori. Hewlett-Packard, IBM e Intel (che ha finanziato il lavoro di de Heer) hanno cominciato a svolgere ricerche sull’uso del grafene nei prodotti futuri.
