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- ELETTRONICA OGGI 439 - SETTEMBRE 2014
TECH INSIGHT
NEWMATERIALS
La ricerca di soluzioni alternative all’uso del silicio
è iniziata
da tempo e già oggi ci sono prospettive interessanti, sia sul versante
delle pres
tazioni sia su quello dei costi.
Un esempio è costituito dagli OLED, utilizzati ormai da mol-
tissimi smartphone, che si basano su componenti organici
per emettere luce. Sono diversi anni infatti che l’elettronica
basata su materiali organici composti principalmente di car-
bonio, azoto, ossigeno e idrogeno, sta attirando l’attenzione
dell’industria. Questi materiali, in base ai legami intermo-
lecolari, si possono comportare sia da semiconduttori che
da isolanti e alcuni hanno anche proprietà fotoconduttive. I
principali limiti, invece, derivano dall’instabilità dei compo-
sti soprattutto se esposti a aria, acqua o luce. Dato, inoltre
che gli elettroni hanno principalmente legami covalenti, la
loro mobilità nei materiali organici è decisamente più bassa
rispetto a quella tipica degli attuali semiconduttori, il che si-
gnifica che i componenti realizzati con questi materiali pos-
sono operare essenzialmente a bassa frequenza.
Il grafene
Tra i materiali più interessanti per realizzare dei transistor
alternativi a quelli al silicio usati attualmente c’
è il grafene.
Questo materiale è costituito da uno strato monoatomico di
atomi di carbonio disposti con una struttura a celle esago-
nali. Quando sono presenti delle imperfezioni nella struttura
del reticolo, come pentagoni o ettagoni, questa si deforma e
si hanno delle increspature della superficie. In presenza di
12 strutture pentagonali si parla di fullereni.
I fullereni sono in pratica degli aggregati formati da un ele-
vato numero, però sempre pari, di atomi di carbonio e dotati
di caratteristiche molto interessanti come per esempio una
elevata stabilità e strutture tridimensionali chiuse. Fra le ca-
ratteristiche dei fullereni, specialmente dei nanotubi, ve ne
sono alcune particolarmente interessanti per l’elettronica.
Per esempio, il C60 è un isolante da punto di vista elettrico,
ma tramite drogaggio con metalli alcalini o di transizione, di-
venta un conduttore. Gli scienziati di IBM Labs sono in prima
fila da anni per gli sviluppi su componenti in grafene. Nel
2010 hanno dimostrato un transistor in grafene per radio
frequenza con un frequenza di cut-off di 100 GigaHertz e
lunghezza del gate di 240 nm. Questo risultato è stato ot-
tenuto utilizzando una crescita epitassiale del grafene con
una tecnologia di processo compatibile con quella utilizza-
ta per la produzione di componenti in silicio. L’importanza
di questo passaggio risiede nel fatto che è stato dimostrato
che il grafene può essere utilizzato per realizzare circuiti in-
tegrati ad alte prestazioni. Nel 2011 gli scienziati di IBM sono
riusciti a realizzare un transistor in grafene con un lunghez-
za di gate di 40 nm e in grado di operare a 155 GHz. Alcuni
mesi fa, sempre i ricercatori IBM, hanno invece realizzato un
chip in grafene per le comunicazioni radio. Si tratta di ricevi-
tore RF multistadio con performance 10.000 volte migliori di
quelli ottenuti precedentemente con componenti realizzati
in grafene. Il circuito integrato è realizzato con tre transi-
stor in grafene, quattro induttori, due condensatori e due
resistenze. Tutti questi componenti sono stati integrati in
un’area di 0,6 mm e realizzati su una linea di produzione per
wafer da 8 pollici (200 mm) in silicio. Quest’ultimo passaggio
dimostra la compatibilità della produzione di componenti in
grafene con quella CMOS in silicio.
Il circuito consuma meno di 20 mW per lavorare e ha dimo-
strato anche il guadagno in conversione più elevato sinora
raggiunto da un componenti RF in grafene. Questo annuncio
è un ulteriore passo avanti verso la realizzazione di com-
ponenti in grafene per applicazioni ad alte prestazioni nei
diversi settori.
Fig. 1 – Gli OLED sono già disponibili da tempo e offrono caratteristiche
interessanti come questi componenti flessibili di ampia superficie svi-
luppati dall’ Holst Centre Shared Research Programs
Fig. 2 – IBM ha realizzato con il grafene un chip radio con funzioni di
ricevitore multistadio (Fonte IBM)
