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- ELETTRONICA OGGI 469 - APRILE 2018
Nuovi materiali per l’elettronica
Francesco Ferrari
I
limiti fisici del silicio come base per realizzare componenti elettronici a semiconduttore sono evidenti da
tempo e per poter proseguire con un livello di crescita come quello a cui ci ha abituato la famosa legge di
Moore occorrono necessariamente nuovi materiali.
I ricercatori stanno sondando costantemente le capacità di diverse combinazioni di materiali per offrire ai pro-
duttori una gamma più ampia di possibilità per superare le attuali limitazioni. Fra le possibili alternative, la ca-
tegoria dei materiali 2D, formati da strati bidimensionali di atomi legati fra loro, è particolarmente promettente
per le proprietà emerse. Di fatto appartengono a questa classe tutti quei materiali caratterizzati da legami molto
più forti e ordinati in due delle dimensioni spaziali rispetto alla terza. Un certo numero di questi materiali, come
per esempio il carburo di silicio oppure l’arseniuro di gallio, sono già utilizzati da tempo, ma limitatamente a
specifiche applicazioni. Uno dei più famosi, il grafene, risale al 2004, e ha riscosso immediatamente un enorme
successo per le sue notevoli proprietà legate alla sua particolare struttura.
Attualmente i ricercatori sono però particolarmente interessati anche da materiali come i dicalcogenuri di
metalli di transizione (TMDC). Si tratta di una classe di materiali 2D derivati da elementi di base, come tellurio,
selenio, zolfo e ossigeno, che possono essere molto utili per realizzare componenti elettronici a semiconduttori.
Fra questi materiali, per esempio, ci sono il disolfuro di molibdeno (MoS2) che ha band gap indiretto di 1,3 eV,
il diseleniuro di molibdeno (MoSe2), il diseleniuro di tungsteno (Wse2), il disolfuro di tungsteno (WS2) e il tel-
lururo di molibdeno (MoTe2). Questi materiali bidimensionali permettono inoltre la progettazione e la creazione
di strutture artificiali in grado di rispondere a esigenze specifiche anche accoppiando strati bidimensionali
differenti, ciascuno dotato di caratteristiche particolari. Per esempio, i TMDC funzionano come semiconduttori
insieme al grafene usato come conduttore elettrico e il nitruro di boro esagonale monostrato (grafene bianco)
come isolante elettrico. È possibile anche abbinare l’elevata capacità di assorbimento dei fotoni di alcuni mate-
riali TMDC con la capacità di trasporto di carica del grafene e realizzare in questo modo dispositivi fotovoltaici,
ma anche batterie particolarmente efficienti. I TMDC possono essere combinati anche con substrati di silicio, of-
frendo nuove possibilità a questo materiale estremamente comune e disponibile. Gli sviluppi dell’uso di combi-
nazioni di materiali 2D sono di fatto molto interessanti. I ricercatori hanno scoperto, per esempio, che un film di
grafene a doppio strato su carburo di silicio permette un controllo migliore, così come è possibile “sintonizzare”
un trilayer di grafene per realizzare transistor ad effetto di campo in un dispositivo a semiconduttore.
La versatilità è un ulteriore elemento da considerare. I materiali 2D infatti possono essere stampati su supporti
cartacei, permettendo quindi la realizzazione di dispositivi come per esempio sensori.
Per contro, uno dei limiti prin-
cipali alla diffusione di queste
nuove tecnologie è legato allo
sviluppo e ottimizzazione dei
metodi di produzione. In questo
momento, infatti, si utilizzano
sistemi più idonei a realizzare
campioni per laboratori, appli-
cazioni quindi dove il costo di
produzione è sostanzialmente
poco rilevante. Per passare a
una scala di produzione indu-
striale, in elevati volumi e bassi
costi, occorrono però ancora
diversi passaggi. Attualmente,
una delle principali sfide che
l’industria sta affrontando è ap-
punto quella relativa alla capa-
cità di produrre grafene di alta
qualità, adattato per applicazio-
ni specifiche, con un metodo
scalabile per la produzione in
volumi elevati. Gli analisti riten-
gono che il mercato dei nuovi
Schema di un fotosensore MoS2 monolayer (Fonte Néstor Perea-López et al./2D Materials)