La stragrande maggioranza dei dispositivi informatici odierni è realizzata in silicio, il secondo elemento più abbondante sulla Terra, dopo l'ossigeno. Il silicio può essere trovato in varie forme nelle rocce, argilla, sabbia, e suolo. E anche se non è il miglior materiale semiconduttore esistente sul pianeta, è di gran lunga il più facilmente disponibile. Come tale, il silicio è il materiale dominante utilizzato nella maggior parte dei dispositivi elettronici, compresi i sensori, celle solari, e i circuiti integrati all'interno dei nostri computer e smartphone.

Ora gli ingegneri del MIT hanno sviluppato una tecnica per fabbricare film semiconduttori ultrasottili realizzati con una serie di materiali esotici diversi dal silicio. Per dimostrare la loro tecnica, i ricercatori hanno fabbricato film flessibili a base di arseniuro di gallio, nitruro di gallio, e fluoruro di litio, materiali che presentano prestazioni migliori rispetto al silicio ma fino ad ora erano proibitivi da produrre in dispositivi funzionali.

La nuova tecnica, i ricercatori dicono, fornisce un metodo conveniente per fabbricare elettronica flessibile composta da qualsiasi combinazione di elementi semiconduttori, che potrebbe funzionare meglio degli attuali dispositivi a base di silicio.

"Abbiamo aperto un modo per realizzare elettronica flessibile con così tanti diversi sistemi di materiali, altro che silicio, "dice Jeehwan Kim, la Classe 1947 Professore Associato per lo Sviluppo della Carriera nei dipartimenti di Ingegneria Meccanica e Scienza e Ingegneria dei Materiali. Kim immagina che la tecnica possa essere utilizzata per produrre a basso costo, dispositivi ad alte prestazioni come celle solari flessibili, e computer indossabili e sensori.

I dettagli della nuova tecnica sono riportati oggi in Materiali della natura . Oltre a Kim, i coautori del MIT del documento includono Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Riccardo Molnar, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Yang Shao-Corno, e Jeffrey Grossman, insieme ai ricercatori della Sun Yat-Sen University, l'Università della Virginia, l'Università del Texas a Dallas, il Laboratorio di Ricerca Navale degli Stati Uniti, Università statale dell'Ohio, e Georgia Tech.

Ora lo vedi, ora non lo fai

Nel 2017, Kim e i suoi colleghi hanno ideato un metodo per produrre "copie" di costosi materiali semiconduttori utilizzando il grafene, un foglio atomicamente sottile di atomi di carbonio disposti in una forma esagonale, modello di filo di pollo. Hanno scoperto che quando hanno impilato il grafene sopra un puro, costosa fetta di materiale semiconduttore come arseniuro di gallio, poi atomi di gallio e arseniuro scorrevano sulla catasta, gli atomi sembravano interagire in qualche modo con lo strato atomico sottostante, come se il grafene intermedio fosse invisibile o trasparente. Di conseguenza, gli atomi assemblati nel preciso, modello monocristallino del wafer semiconduttore sottostante, formando una copia esatta che potrebbe quindi essere facilmente rimossa dallo strato di grafene.

La tecnica, che chiamano "epitassia remota, " ha fornito un modo conveniente per fabbricare più film di arseniuro di gallio, utilizzando solo un costoso wafer sottostante.

Subito dopo aver riportato i primi risultati, il team si è chiesto se la loro tecnica potesse essere utilizzata per copiare altri materiali semiconduttori. Hanno provato ad applicare l'epitassia remota al silicio, e anche il germanio, due semiconduttori economici, ma scoprì che quando facevano scorrere questi atomi sul grafene non riuscivano a interagire con i rispettivi strati sottostanti. Era come se il grafene, precedentemente trasparente, divenne improvvisamente opaco, impedendo agli atomi di silicio e germanio di "vedere" gli atomi dall'altra parte.

Come succede, silicio e germanio sono due elementi che esistono all'interno dello stesso gruppo della tavola periodica degli elementi. Nello specifico, i due elementi appartengono al gruppo quattro, una classe di materiali ionicamente neutri, nel senso che non hanno polarità.

"Questo ci ha dato un suggerimento, "dice Kim.

Forse, la squadra ha ragionato, gli atomi possono interagire tra loro attraverso il grafene solo se hanno una carica ionica. Ad esempio, nel caso dell'arseniuro di gallio, il gallio ha una carica negativa all'interfaccia, rispetto alla carica positiva dell'arsenico. Questa differenza di carica, o polarità, potrebbe aver aiutato gli atomi ad interagire attraverso il grafene come se fosse trasparente, e per copiare il modello atomico sottostante.

"Abbiamo scoperto che l'interazione attraverso il grafene è determinata dalla polarità degli atomi. Per i materiali legati a ioni più forti, interagiscono anche attraverso tre strati di grafene, " dice Kim. "È simile al modo in cui due magneti possono attrarsi, anche attraverso un sottile foglio di carta."

Gli opposti si attraggono

I ricercatori hanno testato la loro ipotesi utilizzando l'epitassia remota per copiare materiali semiconduttori con vari gradi di polarità, da silicio neutro e germanio, ad arseniuro di gallio leggermente polarizzato, e infine, fluoruro di litio altamente polarizzato:un migliore, semiconduttore più costoso del silicio.

Hanno scoperto che maggiore è il grado di polarità, più forte è l'interazione atomica, anche, in alcuni casi, attraverso più fogli di grafene. Ogni film che sono stati in grado di produrre era flessibile e spesso solo da decine a centinaia di nanometri.

Anche il materiale attraverso il quale interagiscono gli atomi è importante, la squadra ha trovato. Oltre al grafene, hanno sperimentato uno strato intermedio di nitruro di boro esagonale (hBN), un materiale che ricorda il modello atomico del grafene e ha una qualità simile al teflon, consentendo ai materiali sovrastanti di staccarsi facilmente una volta copiati.

Però, hBN è costituito da atomi di boro e azoto con carica opposta, che generano una polarità all'interno del materiale stesso. Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che qualsiasi atomo che scorre su hBN, anche se erano loro stessi altamente polarizzati, non erano in grado di interagire completamente con i loro wafer sottostanti, suggerendo che la polarità sia degli atomi di interesse che del materiale intermedio determina se gli atomi interagiranno e formeranno una copia del wafer semiconduttore originale.

"Ora capiamo davvero che ci sono regole di interazione atomica attraverso il grafene, " dice Kim.

Con questa nuova comprensione, lui dice, i ricercatori possono ora semplicemente guardare la tavola periodica e scegliere due elementi di carica opposta. Una volta che acquisiscono o fabbricano un wafer principale composto dagli stessi elementi, possono quindi applicare le tecniche di epitassia remota del team per fabbricare più, copie esatte del wafer originale.

"Le persone hanno usato principalmente wafer di silicio perché sono economici, " dice Kim. "Ora il nostro metodo apre un modo per utilizzare prestazioni più elevate, materiali non siliconici. Puoi semplicemente acquistare un costoso wafer e copiarlo più e più volte, e continua a riutilizzare il wafer. E ora la libreria dei materiali per questa tecnica è stata completamente ampliata".

Kim immagina che l'epitassia remota possa ora essere utilizzata per fabbricare ultrasottili, film flessibili da un'ampia varietà di film precedentemente esotici, materiali semiconduttori, purché i materiali siano costituiti da atomi con un grado di polarità. Tali film ultrasottili potrebbero potenzialmente essere impilati, uno sopra l'altro, per produrre piccoli, flessibile, dispositivi multifunzionali, come sensori indossabili, celle solari flessibili, e persino, in un lontano futuro, "cellulari che si attaccano alla pelle".

"Nelle città intelligenti, dove potremmo voler mettere piccoli computer ovunque, avremmo bisogno di bassa potenza, dispositivi informatici e di rilevamento altamente sensibili, realizzati con materiali migliori, " Kim dice. "Questo [studio] sblocca il percorso verso quei dispositivi."