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I transistor al grafene svolgono il triplo compito nelle comunicazioni wireless
Il potenziale del grafene è stato riconosciuto all'inizio di questo mese quando coloro che per primi lo hanno studiato in laboratorio hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica 2010. Ma i ricercatori stanno appena iniziando a capire come sfruttare il nuovo materiale in carbonio nei dispositivi elettronici.
Transistor triplo: i transistor a grafene singolo come questo possono essere fatti funzionare in tre modalità ed eseguire funzioni che di solito richiedono più transistor in un circuito.
I ricercatori hanno già realizzato transistor al grafene incredibilmente veloci. Ora hanno usato il grafene per creare un transistor che può essere commutato tra tre diverse modalità di funzionamento, che nei circuiti convenzionali devono essere eseguite da tre transistor separati. Questi transistor configurabili potrebbero portare a chip più compatti per l'invio e la ricezione di segnali wireless.
I chip che utilizzano meno transistor pur mantenendo tutte le stesse funzioni potrebbero essere meno costosi, utilizzare meno energia e liberare spazio all'interno di dispositivi elettronici portatili come gli smartphone, dove lo spazio è ristretto. Il nuovo transistor al grafene è un dispositivo analogico, del tipo utilizzato per le comunicazioni wireless negli auricolari Bluetooth e nei tag di identificazione a radiofrequenza (RFID).
La struttura perfetta del grafene a livello atomico fornisce una navigazione fluida per gli elettroni e il materiale conduce gli elettroni meglio di qualsiasi altro materiale a temperatura ambiente. Finora è stato utilizzato per realizzare transistor che commutano a circa 100 gigahertz, o 100 miliardi di volte al secondo, 10 volte più veloci dei migliori transistor al silicio; si prevede che il materiale potrebbe essere trasformato in transistor che sono anche 1.000 volte più veloci di questo. E poiché il grafene è liscio e piatto, dovrebbe essere compatibile con le apparecchiature per la produzione di chip delle fabbriche di semiconduttori.
Ma il grafene offre altre proprietà oltre ad essere un ottimo conduttore di elettroni, dice Kartik Mohanram , professore di ingegneria elettrica e informatica alla Rice University. È anche possibile modificare al volo il comportamento di un transistor al grafene, cosa che non può essere eseguita con i transistor al silicio convenzionali. I transistor che compongono i circuiti logici al silicio convenzionali possono comportarsi solo in uno dei due modi, chiamati n per negativo o p per positivo: controllano il flusso di elettroni o il flusso di lacune o le cariche positive. Se un transistor convenzionale è di tipo p o di tipo n viene determinato durante la fabbricazione. Ma il grafene è ambipolare: può condurre sia cariche positive che negative.
Mohanram ha progettato un transistor che può essere cambiato e l'ha realizzato e testato con Alessandro balandin , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università della California, Riverside. Modificando la tensione applicata a un foglio di grafene utilizzando tre porte elettriche, potevano commutare il grafene tra tre diverse modalità: tipo n, tipo p e una modalità in cui conduceva ugualmente la carica positiva e negativa. Questo transistor a tripla modalità funge da amplificatore e può essere utilizzato per codificare un flusso di dati modificando la frequenza e la fase di un segnale. Le variazioni di fase e frequenza vengono utilizzate per codificare i dati in dispositivi di telecomunicazione come auricolari Bluetooth e tag RFID.
Il dispositivo di Mohanram e Balandin è il primo in grado di eseguire questo livello di elaborazione del segnale in un singolo transistor. Di solito tale segnalazione richiede più transistor. Il loro transistor è un dispositivo proof-of-concept, ma Mohanram afferma che dimostra ciò che potrebbe essere possibile con il grafene.
Altri gruppi hanno dimostrato transistor multimodali che utilizzano grafene, nanotubi di carbonio e molecole organiche. I ricercatori affermano che il nuovo circuito a tripla modalità di grafene può essere controllato meglio di quei dispositivi.
Il controllo è fondamentale quando si progettano transistor ambipolari, afferma Subhasish Mitra , professore di ingegneria elettrica e informatica alla Stanford University. Le persone consideravano l'ambipolarità una cosa negativa perché in genere è difficile controllare come si comporterà un transistor ambipolare, il che rende difficile usarli, dice.
Mitra osserva che i vantaggi mostrati a livello di singolo transistor devono ora essere dimostrati nei sistemi. I gate elettrici necessari per controllare il comportamento degli array di transistor ambipolari potrebbero finire per rendere i circuiti molto più difficili da progettare e fabbricare. Ora che hanno dimostrato di poterlo fare, dobbiamo vedere quali vantaggi porta a livello di sistema, dice.
Balandin e Mohanram stanno ora lavorando su circuiti in grafene per testare i benefici dell'ambipolarità a un livello più alto. Stanno anche cambiando il design dei transistor stessi per renderli più efficienti.
Nessuno ha ancora pubblicato articoli sulla creazione di circuiti integrati fatti di transistor al grafene, ma Balandin afferma che i ricercatori sono ora sul punto di mettere insieme il tutto. Mentre gli scienziati dei materiali e i produttori di dispositivi lavorano per superare le sfide del lavoro con il grafene, afferma Mohanram, i progettisti di circuiti dovrebbero tenere il passo con loro e pensare in modo creativo all'ambipolarità e ad altre possibilità aperte dal grafene e da altri nanomateriali. Nuovi design e nuovi modi di pensare possono restare indietro rispetto allo sviluppo di nuovi materiali, dice.