I nanointerruttori realizzati con il grafene potrebbero rendere la nostra elettronica ancora più piccola

Hal Gatewood | Spruzza

È probabile che tu possieda un dispositivo microelettromeccanico, probabilmente dozzine. Questi dispositivi riempiono il mondo moderno. Rendono possibili gli accelerometri negli smartphone, i microfoni nei laptop e i microspecchi nei proiettori digitali, solo per citarne alcuni.

In genere hanno una dimensione di pochi micrometri, minuscoli per qualsiasi standard. Ma scienziati e ingegneri li vogliono ancora più piccoli, se possibile su scala nanometrica. A quelle dimensioni, queste macchine possono funzionare come semplici interruttori in dispositivi logici e di memoria, aumentando la prospettiva di dispositivi di elaborazione dati più potenti ed efficienti.

Queste micromacchine sono generalmente scolpite in chip di silicio. Ma man mano che diventano più piccoli, gli interruttori al silicio diventano meno efficienti perché perdono corrente quando sono spenti. Un'opzione migliore è un interruttore al grafene, che è facile da ritagliare su scala nanometrica e relativamente semplice da integrare nei tradizionali chip di silicio. Né perde corrente quando è spento.

Ma c'è un problema. Quando il grafene tocca il silicio, tende ad attaccarsi velocemente. Immagina un interruttore costituito da una barra flessibile di grafene che forma un circuito quando la barra tocca un elettrodo di silicio. Se la barra si attacca all'elettrodo, non è possibile spegnerlo nuovamente.

Questo problema è noto come stiction. E nonostante i significativi investimenti finanziari nella ricerca sul grafene da parte dei governi di tutto il mondo, nessuno ha trovato un buon modo per risolverlo.

Entra Kulothungan Jothiramalingam presso il Japan Advanced Institute of Science and Technology e colleghi, che hanno trovato una soluzione. Usandolo, hanno creato dispositivi nanoelettromeccanici a base di grafene che possono fungere da interruttori e persino da porte logiche.

Il loro metodo è semplice. Ricoprono un chip di silicio con grafene nanocristallino, che aderisce saldamente alla superficie. Quindi lo ricoprono con uno strato di idrogeno silsesquiossano, che funge da resistente e può essere scolpito in varie forme. Sopra di questo mettono un altro strato di grafene.

Il trucco è intagliare lo strato superiore di grafene in una forma a barra che è ancorata ad entrambe le estremità da elettrodi. Quindi rimuovono lo strato di idrogeno silsesquiossano sotto parte della barra di grafene per lasciarlo sospeso sopra lo strato di grafene.

Piegare questa barra è semplice. Una potenziale differenza tra gli strati crea una forza che piega la barra verso il chip. Quando tocca questa superficie inferiore, forma un circuito, un processo che può essere sfruttato per la logica e per l'archiviazione dei dati.

Questo è l'interruttore. E poiché le due superfici che entrano in contatto sono entrambe grafene, non c'è attrito. Disattivando la differenza di potenziale si libera la barra, che torna nella posizione originaria.

Jothiramalingam e co hanno utilizzato questo approccio per creare una varietà di nano-switch proof-of-principio, inclusi switch singoli e un array. Dicono che i dispositivi funzionino bene con basse tensioni di soli 1,5 volt e che nello stato spento c'è pochissima dispersione di corrente perché le barre di grafene sono ben isolate dagli altri strati conduttori.

Ci sono alcune sfide, però. Ad esempio, la forma e le dimensioni del fascio di grafene e la sua distanza dallo strato inferiore devono essere ottimizzate per ottenere una commutazione affidabile. Ma questo dovrebbe essere un semplice problema di ingegneria.

Una volta risolto, diventano possibili dispositivi più complessi. Il team ha progettato una gamma di interruttori più complessi, tra cui una porta logica AND e un interruttore a tre terminali in cui posizionano tre strati di grafene uno sopra l'altro, separati da uno strato isolante di idrogeno silsesquiossano.

Questo è un lavoro interessante con il potenziale per rendere i dispositivi nanoelettromeccanici ancora più piccoli, sulla base della promessa del materiale meraviglioso che è il grafene.

Rif: arxiv.org/abs/1901.07754 : Impilamento di grafene nanocristallino per applicazioni di attuatori nanoelettromeccanici (NEM).

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