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Transistor al grafene che possono funzionare a velocità vertiginose
IBM ha creato transistor al grafene che lasciano quelli al silicio nella polvere. I prototipi di dispositivi, realizzati con fogli di carbonio dello spessore di un atomo, funzionano a 100 gigahertz, il che significa che possono accendersi e spegnersi 100 miliardi di volte al secondo, circa 10 volte più velocemente dei più veloci transistor al silicio.
Interruttori veloci: Questi array di transistor, stampati su un wafer di carburo di silicio, funzionano a velocità di 100 gigahertz.
I transistor sono stati creati utilizzando processi compatibili con la produzione di semiconduttori esistente e gli esperti affermano che potrebbero essere ampliati per produrre transistor per dispositivi di imaging, radar e comunicazione ad alte prestazioni entro i prossimi anni e per processori di computer veloci in un decennio o giù di lì.
I ricercatori hanno precedentemente realizzato transistor al grafene utilizzando metodi meccanici laboriosi, ad esempio staccando fogli di grafene dalla grafite; i transistor più veloci realizzati in questo modo hanno raggiunto velocità fino a 26 gigahertz. I transistor realizzati con metodi simili non hanno eguagliato queste velocità.
La crescita dei transistor su un wafer non solo porta a prestazioni migliori, ma è anche più commercialmente fattibile, afferma Phaedon Avouris , leader del gruppo scientifico e tecnologico su nanoscala presso l'IBM Watson Research Center di Ossining, NY, dove è stato svolto il lavoro.
In definitiva, il grafene ha il potenziale per sostituire il silicio nei processori per computer ad alta velocità. Man mano che i computer diventano più veloci ogni anno, il silicio si avvicina sempre di più ai suoi limiti fisici e il grafene fornisce un potenziale sostituto promettente perché gli elettroni si muovono attraverso il materiale molto più velocemente di quanto non facciano attraverso il silicio. Anche senza ottimizzare il design, questi transistor sono già 2,5 volte migliori del silicio, afferma Yu-Ming Lin , un altro ricercatore di IBM Watson che ha collaborato con Avouris.
Altri ricercatori hanno realizzato transistor molto veloci utilizzando materiali semiconduttori costosi come il fosfuro di indio, ma questi dispositivi funzionano solo a basse temperature. In teoria, il grafene ha le proprietà del materiale necessarie per far funzionare i transistor a velocità terahertz a temperatura ambiente.
I ricercatori IBM hanno coltivato il grafene sulla superficie di un wafer di carburo di silicio da due pollici. Il processo inizia quando riscaldano il wafer fino a quando il silicio evapora, lasciando un sottile strato di carbonio, noto come grafene epitassiale. Questa tecnica è stata utilizzata in passato per realizzare transistor, ma il team IBM ha migliorato il processo utilizzando materiali migliori per le altre parti del transistor, in particolare l'isolatore.
Le proprietà del grafene sono molto sensibili al suo ambiente, afferma Lin. Questo è il motivo per cui il gruppo IBM si è concentrato sulla progettazione di un nuovo strato isolante, la parte del transistor che previene i cortocircuiti. Hanno scoperto che l'aggiunta di un sottile strato di polimero tra il dielettrico e il grafene migliorava le prestazioni. Il lavoro è descritto questa settimana sul giornale Scienza .
Walter de Heer , professore di fisica al Georgia Tech di Atlanta che ha aperto la strada ai metodi utilizzati per lavorare con il grafene epitassiale, afferma che il dispositivo IBM è una pietra miliare per la sua velocità e perché è stato realizzato utilizzando tecniche di fabbricazione pratiche. Questa non è roba da quattro soldi, è reale, dice. Questo sviluppo si trasformerà davvero in un dispositivo di comunicazione tra non molto tempo.
Si possono applicare le stesse tecnologie di elaborazione per avvicinarsi molto a un prodotto, afferma Avouris. L'anno scorso, lo stesso gruppo IBM e un gruppo indipendente a Laboratori HRL a Malibu, in California, entrambi hanno realizzato transistor al grafene da 10 gigahertz utilizzando un metodo coinvolto chiamato esfoliazione meccanica. Questo processo comporta la rimozione di strati da un piccolo pezzo di grafite fino a quando rimane un singolo foglio dello spessore di un atomo, quindi lo si posa su un substrato e lo si intaglia per formare un transistor. Il problema con questo approccio è che compromette le proprietà elettriche del grafene e non è commercialmente scalabile, afferma Avouris.
Le prime applicazioni dei transistor al grafene saranno probabilmente come interruttori e amplificatori nell'elettronica militare analogica. In effetti, il lavoro del gruppo IBM è supportato in parte dalla Defense Advanced Research Projects Agency. Ma i ricercatori dicono che ci vorranno anni prima che la società inizi lo sviluppo commerciale dell'elettronica al carbonio.
De Heer osserva che i dispositivi IBM non realizzano ancora il pieno potenziale del grafene. Controllando attentamente le condizioni di crescita, il suo gruppo ha realizzato il grafene che conduce gli elettroni 10 volte più velocemente del materiale utilizzato dal team IBM. Questo grafene di qualità superiore potrebbe, in teoria, essere utilizzato per realizzare transistor che raggiungono velocità di terahertz, anche se de Heer afferma che molte cose potrebbero andare storte durante lo scale-up.
Avouris afferma che il team IBM lavorerà per migliorare la velocità dei suoi transistor miniaturizzandoli. Quelli che ha realizzato finora sono lunghi 240 nanometri, che è relativamente grande: i componenti elettronici in silicio sono fino a circa 20 nanometri. Avouris ritiene inoltre che le loro prestazioni potrebbero essere migliorate rendendo lo strato isolante più sottile. Il prossimo passo è provare a integrare questi transistor in un circuito veramente operativo, dice.