(PhysOrg.com) -- Un progetto di ricerca collaborativa ha avvicinato il mondo alla produzione di un nuovo materiale su cui si potrebbe basare la futura nanotecnologia. Ricercatori di tutta Europa, compreso il National Physical Laboratory (NPL) del Regno Unito, hanno dimostrato come un materiale incredibile, grafene, potrebbe contenere la chiave per il futuro dell'elettronica ad alta velocità, come micro-chip e tecnologia touchscreen.

Il grafene ha da tempo mostrato potenziale, ma in precedenza è stato prodotto solo su scala molto piccola, limitando quanto bene potrebbe essere misurato, compreso e sviluppato. Un documento pubblicato il 17 gennaio, in Nanotecnologia della natura spiega come i ricercatori hanno, per la prima volta, prodotto grafene di dimensioni e qualità tali da poter essere praticamente sviluppato, e ha misurato con successo le sue caratteristiche elettriche. Queste scoperte significative superano due dei più grandi ostacoli all'espansione della tecnologia.

Una tecnologia per il futuro

Il grafene è una forma relativamente nuova di carbonio costituita da un singolo strato di atomi disposti in un reticolo a forma di nido d'ape. Nonostante sia spesso un atomo e chimicamente semplice, il grafene è estremamente forte e altamente conduttivo, rendendolo ideale per l'elettronica ad alta velocità, fotonica e non solo.

Il grafene è un ottimo candidato per sostituire i chip a semiconduttore. La legge di Moore osserva che la densità dei transistor su un circuito integrato raddoppia ogni due anni, ma si pensa che il silicio e altri materiali per transistor esistenti siano vicini alla dimensione minima in cui possono rimanere efficaci. I transistor al grafene possono potenzialmente funzionare a velocità più elevate e far fronte a temperature più elevate. Il grafene potrebbe essere la soluzione per garantire che la tecnologia informatica continui a crescere in potenza riducendo al contempo le dimensioni, prolungando di molti anni la durata della legge di Moore.

I grandi produttori di microchip come IBM e Intel hanno espresso apertamente interesse per il potenziale del grafene come materiale su cui si potrebbe basare l'elaborazione futura.

Il grafene ha anche il potenziale per nuove entusiasmanti innovazioni come la tecnologia touchscreen, Display LCD e celle solari. La sua impareggiabile robustezza e trasparenza lo rendono perfetto per queste applicazioni, e la sua conduttività offrirebbe un drammatico aumento dell'efficienza sui materiali esistenti.

Crescere a una dimensione utilizzabile mantenendo la qualità

Finora il grafene di qualità sufficiente è stato prodotto solo sotto forma di piccoli fiocchi di minuscole frazioni di millimetro, usando metodi scrupolosi come staccare gli strati dai cristalli di grafite con nastro adesivo. La produzione di elettronica utilizzabile richiede la coltivazione di aree di materiale molto più grandi. Questo progetto ha visto ricercatori, per la prima volta, produrre e far funzionare con successo un gran numero di dispositivi elettronici da un'area considerevole di strati di grafene (circa 50 mm ² ).

Il campione di grafene, è stato prodotto epitassialmente - un processo di crescita di uno strato di cristallo su un altro - su carburo di silicio. Avere un campione così significativo non solo dimostra che può essere fatto in modo pratico, modo scalabile, ma ha anche permesso agli scienziati di comprendere meglio importanti proprietà.

Misurazione della resistenza

La seconda svolta chiave del progetto è stata la misurazione delle caratteristiche elettriche del grafene con una precisione senza precedenti, aprendo la strada alla definizione di standard convenienti e precisi. Affinché prodotti come i transistor nei computer funzionino in modo efficace e siano commercialmente redditizi, i produttori devono essere in grado di effettuare tali misurazioni con incredibile precisione rispetto a uno standard internazionale concordato.

Lo standard internazionale per la resistenza elettrica è fornito dal Quantum Hall Effect, un fenomeno per cui le proprietà elettriche nei materiali 2D possono essere determinate solo sulla base di costanti fondamentali della natura.

L'effetto ha, fino ad ora, stato dimostrato con sufficiente precisione solo in un piccolo numero di semiconduttori convenzionali. Per di più, tali misurazioni richiedono temperature prossime allo zero assoluto, combinato con campi magnetici molto forti, e solo pochi laboratori specializzati al mondo possono raggiungere queste condizioni.

Il grafene è stato a lungo puntato per fornire uno standard ancora migliore, ma i campioni erano inadeguati a dimostrarlo. Producendo campioni di dimensioni e qualità sufficienti, e dimostrare accuratamente la resistenza di Hall, il team ha dimostrato che il grafene ha il potenziale per sostituire i semiconduttori convenzionali su scala di massa.

Inoltre il grafene mostra l'effetto Quantum Hall a temperature molto più elevate. Ciò significa che lo standard di resistenza al grafene potrebbe essere utilizzato molto più ampiamente in quanto più laboratori possono raggiungere le condizioni richieste per il suo utilizzo. Oltre ai vantaggi di velocità operativa e durata, ciò accelererebbe anche la produzione e ridurrebbe i costi della futura tecnologia elettronica basata sul grafene

Il professor Alexander Tzalenchuk del Quantum Detection Group di NPL e l'autore principale dell'articolo Nature Nanotechnology osserva:"È davvero sensazionale che una vasta area di grafene epitassiale abbia dimostrato non solo continuità strutturale, ma anche il grado di perfezione richiesto per misurazioni elettriche precise alla pari dei semiconduttori convenzionali con una storia di sviluppo molto più lunga."

Dove ora?

Il team di ricerca non si accontenta di lasciarlo lì. Sperano di continuare a dimostrare misurazioni ancora più precise, nonché misurazioni accurate a temperature ancora più elevate. Attualmente stanno cercando finanziamenti dell'UE per portare avanti questo processo.

Dottor JT Janssen, un NPL Fellow che ha lavorato al progetto, ha dichiarato:"Abbiamo gettato le basi per il futuro della produzione di grafene, e ci impegneremo nella nostra ricerca in corso per fornire una maggiore comprensione di questo materiale entusiasmante. La sfida per l'industria nei prossimi anni sarà quella di ampliare il materiale in modo pratico per soddisfare le nuove esigenze tecnologiche. Abbiamo fatto un enorme passo avanti, e una volta che i processi di produzione sono in atto, speriamo che il grafene offra al mondo un'alternativa più veloce ed economica ai semiconduttori convenzionali".

L'effetto Hall quantistico

Questo appare dove una corrente elettrica scorre attraverso un materiale bidimensionale in un campo magnetico perpendicolare e la tensione nel materiale viene misurata perpendicolarmente sia al flusso di corrente che al campo. Entro certi intervalli periodici di campo, il rapporto di questa tensione trasversale alla corrente, nota come resistenza di Hall, è determinato solo da una combinazione nota di costanti fondamentali della natura - la costante di Planck h e la carica dell'elettrone e.

A causa di questa universalità, l'effetto Quantum Hall fornisce la base per lo standard di resistenza in linea di principio indipendente da un particolare campione, materiale o impostazione di misura.

L'effetto Quantum Hall ha, fino ad ora, stato accuratamente dimostrato con sufficiente precisione solo in un piccolo numero di semiconduttori convenzionali, come le eterostrutture di Si e di gruppo III-V. A causa della sua struttura elettronica unica, il grafene è stato a lungo puntato per fornire uno standard ancora migliore, ma le piccole dimensioni dei fiocchi di grafene e la qualità insufficiente dei primi film di grafene non hanno consentito di eseguire misurazioni accurate.