Cristalli bidimensionali

Silicene e fosforo nero, chi sarà l'erede del silicio?

La necessità di adottare processi produttivi sempre più 'stringenti' ha portato allo studio dei cristalli bidimensionali. Ecco chi potrebbe prendere il posto del silicio
Silicene e fosforo nero, chi sarà l'erede del silicio? FASTWEB S.p.A.

Da un lato la cosiddetta “Legge di Moore" e i suoi limiti. Dall'altro la necessità, continua e sempre più pressante, di processori che siano in grado di compiere sempre più operazioni nella singola unità di tempo e che, di conseguenza, contengano un numero crescente di transistor e circuiti stampati. Nel mezzo il silicio con le sue caratteristiche chimico-fisiche che rendono complicati (se non impossibili) i processi costruttivi al di sotto dei 10 nanometri.

Da questo strano “triangolo” tecnologico – e dalle implicazioni che ha sullo sviluppo dell'informatica e delle altre possibili applicazioni – prendono le mosse alcuni dei più rinomati laboratori di ricerca del mondo, desiderosi di trovare quello che potrebbe essere considerato come la “pietra filosofale” dell'alta tecnologia. Si tratta di un materiale che, mantenendo o addirittura migliorando le peculiari caratteristiche di conduttività del silicio, permetta di ridurre ulteriormente la distanza tra un circuito stampato e l'altro e quindi adottare processi costruttivi infinitesimali. Per le nanotecnologie sarebbe una vera e propria rivoluzione.

 

Grafene

 

Si è scatenata così una vera e propria corsa ai cristalli bidimensionali: reticoli di cristalli dello spessore di appena un atomo e, quindi, praticamente, mancanti di una dimensione. In questo ambito il primo amore degli scienziati dei materiali è stato il grafene, un materiale composto da uno strato monoatomico di atomi di carbonio disposti esagonalmente (con angoli interni di 120°) e dotato di caratteristiche chimico-fisiche peculiari (ottimo conduttore di elettricità e calore, oltre a essere molto resistente). Successivamente l'attenzione degli studiosi si è concentrata sul silicene, sul germanene, il nitruro di boro e il disolfuro di molibdeno. A questi, negli ultimi mesi, si è aggiunto il fosforo nero (detto anche fosforene), cristallo bidimensionale derivato dal fosforo (ovviamente) che più degli altri materiali sembra ben rispondere alle attese degli scienziati.

Silicene

Nei primi giorni di febbraio del 2015 un team di ricercatori dell'Università di Austin (Texas, Stati Uniti) ha annunciato di esser riuscita a creare in laboratorio un foglio di silicene (cristallo bidimensionale derivato dal silicio) e trasformarlo in un transistor rudimentale. Lavorando in collaborazione con un gruppo di scienziati italiani del Cnr di Agrate Brianza, gli studiosi statunitensi sembrano esser riusciti a risolvere il problema più grave che affligge il silicene: l'estrema fragilità e instabilità della sua struttura atomica. Normalmente, se esposto all'aria per più di due minuti, il foglio bidimensionale di atomi di silicio tende a disgregarsi, rendendo di fatto impossibile la creazione di transistor funzionanti. Nei laboratori texani, invece, è stato sviluppato un foglio di atomi di silicio più resistente e quindi potenzialmente utilizzabile per la produzione di processori, GPU e SoC.

 

Silicene

 

Nonostante la scarsa resistenza, il silicene presenta diversi vantaggi rispetto al più rinomato e solido grafene. Prima di tutto è dotato di un bandgap o “banda proibita”, ovvero di un intervallo nei livelli di energia all'interno dei quali gli elettroni non possono trovarsi, manipolabile con relativa facilità, a seconda degli elementi utilizzati per il “drogaggio” del materiale. Il silicene, inoltre, potrebbe portare a nuovi processi produttivi senza che ci sia bisogno di passare a un nuovo materiale: essendo un derivato del silicio, infatti, permetterebbe di miniaturizzare ulteriormente i circuiti di un processore utilizzando tecniche già conosciute e ampiamente sperimentate.

Germanene

Teorizzato nel 2009, ma sintetizzato per la prima volta in laboratorio solamente nel settembre 2014 da un team di scienziati francesi, spagnoli e tedeschi, soffre degli stessi limiti del silicene. Anzi, se possibile, il Germanene è addirittura più instabile del derivato del silicio tanto che, sino ad oggi, non è stato possibile realizzare un transistor funzionante. Composto da atomi di Germanio disposti esagonalmente così da formare cristalli a due dimensioni, questo nuovo “super materiale” ha ottime proprietà di conduzione elettrica e, come il silicene, possiede un bandgap: si tratta, dunque, di un materiale semiconduttore che permette (in linea teorica, al momento) di eseguire calcoli logici e binari.

 

Germanene

 

Data la sua natura e le caratteristiche chimico-fisiche, gli studiosi europei che per primi l'hanno sintetizzato ipotizzano tra le possibili applicazioni l'implementazione nei computer quantistici, i super computer della prossima generazione.

Fosforo nero

Dulcis in fundo arriva il fosforene, cristallo bidimensionale derivato dal fosforo nero e instabile se esposto all'aria (come silicene e germanene, d'altronde). Anche lui candidato ad essere utilizzato nella costruzione di nuovi processori per svariate applicazioni (dall'elettronica di precisione ai super computer), il fosforene è un materiale relativamente giovane. Solo nel 2014, infatti, gli scienziati dei materiali hanno scoperto un metodo economico e veloce per isolare un foglio composto da un solo strato di atomi di fosforo nero. Partendo da questi fogli, si è riusciti a creare dei transistor a effetto di campo e utilizzarli, con ottimi risultati, nella costruzione di sensori per il gas, interruttori ottici e altre applicazioni.

 

Fosforo nero

 

Come silicene e germanene, anche il fosforene è dotato di una banda proibita ma, a differenza degli altri due materiali, sembra essere leggermente più resistente: è sufficiente immergerlo in solventi come il CHP per renderlo molto più longevo.

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