La trasformazione del carbone in materiali ad alta purezza per l’elettronica di nuova generazione
Il carbone, una risorsa abbondante negli Stati Uniti, è stato a lungo associato a un impatto negativo sul cambiamento climatico a causa del suo utilizzo come combustibile fossile. Tuttavia, recenti ricerche hanno dimostrato che il carbone può essere trasformato in materiali ad alta purezza utili per dispositivi elettronici di nuova generazione, segnando un cambiamento significativo nelle sue applicazioni economiche e tecnologiche. Un team di ricerca congiunto dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign, del National Energy Technology Laboratory, del Oak Ridge National Laboratory e della Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) ha evidenziato come il carbone possa svolgere un ruolo fondamentale nella realizzazione di dispositivi elettronici avanzati.
La riscoperta del carbone per l’elettronica avanzata
“Il carbone è solitamente percepito come qualcosa di ingombrante e sporco, ma le tecniche di lavorazione che abbiamo sviluppato possono trasformarlo in materiali ad alta purezza spessi solo un paio di atomi”, ha affermato Qing Cao, professore di scienza dei materiali e ingegneria presso l’Università dell’Illinois e co-leader della collaborazione. “Le loro strutture atomiche uniche e le proprietà sono ideali per realizzare alcuni dei dispositivi elettronici più piccoli possibili con prestazioni superiori allo stato dell’arte.”
Il processo di trasformazione del carbone
Il processo sviluppato dal NETL converte il carbone in dischi di carbonio nanometrici chiamati “carbon dots”, che il gruppo di ricerca dell’Università dell’Illinois ha dimostrato di poter collegare per formare membrane atomicamente sottili per applicazioni in transistor bidimensionali e memristori, tecnologie che saranno fondamentali per la costruzione di elettronica più avanzata. Questi risultati sono stati riportati nella rivista Communications Engineering.
Il carbone come materiale ideale per l’elettronica 2D
Nella continua ricerca di dispositivi elettronici più piccoli, veloci ed efficienti, l’ultimo passo sarà rappresentato da dispositivi realizzati con materiali spessi solo uno o due atomi. È impossibile che i dispositivi siano più piccoli di questo limite e la loro piccola scala spesso li fa funzionare molto più velocemente e consumare molta meno energia. Sebbene i semiconduttori ultrathin siano stati ampiamente studiati, è necessario avere anche isolanti atomicamente sottili – materiali che bloccano le correnti elettriche – per costruire dispositivi elettronici funzionanti come transistor e memristori.
Strati di carbonio atomicamente sottili come isolanti eccellenti
Gli strati di carbonio atomicamente sottili con strutture atomiche disordinate possono funzionare come un eccellente isolante per la costruzione di dispositivi bidimensionali. I ricercatori della collaborazione hanno dimostrato che tali strati di carbonio possono essere formati da carbon dots derivati dal carbone. Per dimostrare le loro capacità, il gruppo dell’Università dell’Illinois guidato da Cao ha sviluppato due esempi di dispositivi bidimensionali.
Transistor e memristori con dielettrici derivati dal carbone
Il gruppo di Cao ha utilizzato strati di carbonio derivati dal carbone come dielettrico del gate in transistor bidimensionali costruiti sul semimetallo grafene o sul semiconduttore disolfuro di molibdeno per consentire una velocità di funzionamento del dispositivo più che doppia con un minor consumo di energia. A differenza di altri materiali atomicamente sottili, i nuovi strati di carbonio derivati dal carbone sono amorfi, il che significa che non possiedono una struttura cristallina regolare. Pertanto, non hanno confini tra diverse regioni cristalline che fungono da percorsi di conduzione che portano a “perdite”, dove correnti elettriche indesiderate scorrono attraverso l’isolante e causano un consumo di energia aggiuntivo sostanziale durante le operazioni del dispositivo.
Un’altra applicazione considerata dal gruppo di Cao sono i memristori – componenti elettronici in grado di memorizzare e operare sui dati per migliorare notevolmente l’implementazione della tecnologia AI. Questi dispositivi memorizzano e rappresentano i dati modulando un filamento conduttivo formato da reazioni elettrochimiche tra una coppia di elettrodi con l’isolante inserito in mezzo.
I ricercatori hanno scoperto che l’adozione di strati di carbonio derivati dal carbone ultrathin come isolante consente la formazione rapida di tale filamento con un basso consumo energetico per consentire una velocità di funzionamento del dispositivo elevata con un basso consumo di energia. Inoltre, gli anelli di dimensioni atomiche in questi strati di carbonio derivati dal carbone confinano il filamento per migliorare le operazioni riproducibili del dispositivo per una maggiore fedeltà e affidabilità della memorizzazione dei dati.
Dalla ricerca alla produzione
I nuovi dispositivi sviluppati dal gruppo di Cao forniscono la prova del principio per l’uso di strati di carbonio derivati dal carbone in dispositivi bidimensionali. Resta da dimostrare che tali dispositivi possano essere prodotti su larga scala.
“L’industria dei semiconduttori, inclusi i nostri collaboratori presso Taiwan Semiconductor, è molto interessata alle capacità dei dispositivi bidimensionali e stiamo cercando di soddisfare quella promessa”, ha detto Cao. “Nei prossimi anni, l’Università dell’Illinois continuerà a collaborare con il NETL per sviluppare un processo di fabbricazione per isolanti di carbonio a base di carbone che possa essere implementato in contesti industriali.”