Si chiama grafene e potrebbe presto mandare in pensione il silicio nel ruolo di materiale leader dell’elettronica convenzionale. È per questa sfida che lavorano alcuni ricercatori del laboratorio L-NESS (Laboratorio per Nanostrutture Epitassiali su Silicio e per Spintronica) di Como, un consorzio tra il dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e il dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano Bicocca.
Qualche mese fa il gruppo guidato dal dottor Roman Sordan ha raggiunto un importante risultato: la realizzazione di una porta logica costituita da due transistor integrati su una stessa porzione di grafene cristallino, di fatto il primo circuito integrato completamente realizzato in questo materiale. Il grafene è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, uno solo di quei fogli che impilati a milioni vanno a costituire la comunissima grafite. Lo spessore di uno strato di grafene è dell’ordine del nanometro (un miliardesimo di metro), tanto sottile da essere considerato un materiale praticamente bidimensionale. La sua stravagante natura è oggetto di studio da parte dei fisici teorici fin dalla prima metà del secolo scorso, ma solo fino a pochi anni fa si pensava non fosse possibile isolare questo materiale, perché considerato termodinamicamente instabile. Poi nel 2004, il sogno è diventato realtà: in quell’anno il gruppo di K. S. Novoselov e di A. K. Geim dell’università di Manchester, pubblicò un pionieristico lavoro, divenuto la prima pietra miliare dello sviluppo di queste nuove tecnologie. Nella pubblicazione veniva proposta una tecnica molto semplice per la produzione del grafene, si tratta in sostanza di esfoliare meccanicamente un pezzo di grafite di alta qualità cristallina per mezzo di opportuna una carta adesiva, tale metodo è quello ora utilizzato anche nei laboratori di Como. Il materiale viene poi trasferito su un opportuno substrato isolante, individuato attraverso raffinate tecniche di microscopia e infine processato con tecniche già convenzionalmente utilizzate nell’industria dei semiconduttori.
Quello che i ricercatori del laboratorio L-NESS sono riusciti a fare per la prima volta è stato modificare localmente le proprietà del materiale attraverso una delicata procedura di pulizia in vuoto, creando così una serie di due transistor di diverso tipo, ricavati da una stessa scaglia di grafene. I due transistor risultano connessi in modo tale da implementare l’operazione logica di negazione. Questo dispositivo prende il nome di invertitore logico e costituisce la mattonella fondamentale di tutti quei circuiti elettronici in grado di compiere operazioni logiche e computazionali, come quelli presenti nelle schede dei nostri computer. È primo passo verso la costruzione di circuiti elettronici complessi interamente realizzati in grafene.
I vantaggi offerti dal grafene rispetto al silicio sono innumerevoli: le sue proprietà fisiche di base fanno ipotizzare la possibilità di realizzare dispositivi anche dieci volte più veloci, più piccoli e con minori consumi. La strada da percorrere è ancora molta, ma le incredibili potenzialità di questo materiale hanno scatenato una vera e propria corsa all’oro e una moltitudine di gruppi nel mondo si stanno applicando per imparare a produrlo a basso costo, manipolarlo e realizzare con esso dispositivi elettronici.
In tutto questo il laboratorio di Como continuerà a dare il suo importante contributo: dopo il primo interessante risultato è partita una collaborazione con l’azienda italiana con base negli Stati Uniti Directa Plus. La collaborazione ha lo scopo di ottimizzare un innovativo processo di produzione del grafene. Ottenere un metodo ripetibile e a basso costo per isolare questo materiale costituisce infatti oggi una delle sfide più importanti per far uscire la nuova elettronica del grafene dai laboratori e farla entrare un giorno nelle nostre case.
