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  • Un sottile strato di germanio può sostituire il silicio nei semiconduttori

    L'elemento germanio allo stato naturale. I ricercatori della Ohio State University hanno sviluppato una tecnica per realizzare fogli di germanio dello spessore di un atomo per un eventuale uso nell'elettronica. Credito:Joshua Goldberger, L'Università statale dell'Ohio

    (Phys.org) —Lo stesso materiale che ha formato i primi transistor primitivi più di 60 anni fa può essere modificato in un modo nuovo per far progredire l'elettronica futura, secondo un nuovo studio.

    I chimici della Ohio State University hanno sviluppato la tecnologia per produrre un foglio di germanio dello spessore di un atomo, e ha scoperto che conduce gli elettroni più di dieci volte più velocemente del silicio e cinque volte più velocemente del germanio convenzionale.

    La struttura del materiale è strettamente correlata a quella del grafene, un materiale bidimensionale molto pubblicizzato composto da singoli strati di atomi di carbonio. Come tale, il grafene mostra proprietà uniche rispetto alla sua controparte multistrato più comune, grafite. Il grafene deve ancora essere utilizzato commercialmente, ma gli esperti hanno suggerito che un giorno potrebbe formare chip per computer più veloci, e forse anche funzionare come un superconduttore, tanti laboratori stanno lavorando per svilupparlo.

    Joshua Goldberger, assistente professore di chimica all'Ohio State, ha deciso di prendere una direzione diversa e concentrarsi su materiali più tradizionali.

    "La maggior parte delle persone pensa al grafene come al materiale elettronico del futuro, " ha detto Goldberger. "Ma il silicio e il germanio sono ancora i materiali del presente. Sessant'anni di capacità intellettuali sono stati dedicati allo sviluppo di tecniche per ricavarne dei chip. Quindi abbiamo cercato forme uniche di silicio e germanio con proprietà vantaggiose, per ottenere i vantaggi di un nuovo materiale ma con costi inferiori e utilizzando la tecnologia esistente."

    In un articolo pubblicato online sulla rivista ACS Nano , lui e i suoi colleghi descrivono come sono stati in grado di creare una stalla, singolo strato di atomi di germanio. In questa forma, il materiale cristallino è chiamato germanano.

    I ricercatori hanno già provato a creare il germanano. Questa è la prima volta che qualcuno è riuscito a coltivarne una quantità sufficiente per misurare in dettaglio le proprietà del materiale, e dimostrare che è stabile quando esposto all'aria e all'acqua.

    In natura, il germanio tende a formare cristalli multistrato in cui ogni strato atomico è legato insieme; lo strato a singolo atomo è normalmente instabile. Per aggirare questo problema, Il team di Goldberger ha creato cristalli di germanio multistrato con atomi di calcio incastrati tra gli strati. Poi hanno sciolto il calcio con l'acqua, e ha tappato i legami chimici vuoti che erano rimasti con l'idrogeno. Il risultato:sono stati in grado di staccare singoli strati di germanano.

    Costellato di atomi di idrogeno, il germanano è ancora più stabile chimicamente del silicio tradizionale. Non si ossida in aria e acqua, come fa il silicio. Ciò rende facile lavorare con il germanano utilizzando tecniche di produzione di chip convenzionali.

    La cosa principale che rende il germanano desiderabile per l'optoelettronica è che ha quello che gli scienziati chiamano un "gap di banda diretto, " significa che la luce viene facilmente assorbita o emessa. Materiali come il silicio convenzionale e il germanio hanno band gap indiretti, il che significa che è molto più difficile per il materiale assorbire o emettere luce.

    "Quando si tenta di utilizzare un materiale con una banda proibita indiretta su una cella solare, devi renderlo piuttosto denso se vuoi che abbastanza energia lo attraversi per essere utile. Un materiale con una banda proibita diretta può fare lo stesso lavoro con un pezzo di materiale 100 volte più sottile, " ha detto Goldberg.

    I primi transistor in assoluto furono realizzati in germanio alla fine degli anni '40, ed erano circa le dimensioni di una miniatura. Sebbene i transistor siano diventati microscopici da allora, con milioni di essi racchiusi in ogni chip di computer, il germanio ha ancora il potenziale per far progredire l'elettronica, lo studio ha mostrato.

    Secondo i calcoli dei ricercatori, gli elettroni possono muoversi attraverso il germanano dieci volte più velocemente attraverso il silicio, e cinque volte più veloce rispetto al germanio convenzionale. La misurazione della velocità è chiamata mobilità degli elettroni.

    Con la sua elevata mobilità, il germanano potrebbe quindi sostenere l'aumento del carico nei futuri chip per computer ad alta potenza.

    "La mobilità è importante, perché chip per computer più veloci possono essere realizzati solo con materiali a mobilità più veloce, " Disse Golberger. "Quando riduci i transistor a piccole scale, è necessario utilizzare materiali a mobilità più elevata o i transistor semplicemente non funzioneranno, "Goldberger ha spiegato.

    Prossimo, il team esplorerà come ottimizzare le proprietà del germanano modificando la configurazione degli atomi nel singolo strato.


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