Dalla sua scoperta, il grafene, una sostanza insolita e versatile composta da un reticolo cristallino a strato singolo di atomi di carbonio, ha suscitato molta eccitazione nella comunità scientifica. Ora, Nongjian (NJ) Tao, un ricercatore del Biodesign Institute dell'Arizona State University ha scoperto un nuovo modo di produrre il grafene, massimizzare l'enorme potenziale del materiale, particolarmente per l'uso in dispositivi elettronici ad alta velocità.

Insieme ai collaboratori del Max Planck Institute tedesco, il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Università dello Utah, e l'Università Tsinghua, Pechino, Tao ha creato un transistor al grafene composto da 13 anelli di benzene.

La molecola, detto coronene, mostra una banda proibita elettronica migliorata, una proprietà che può aiutare a superare uno degli ostacoli centrali all'applicazione della tecnologia del grafene per l'elettronica. Il lavoro del gruppo appare nel numero online avanzato del 29 giugno di Comunicazioni sulla natura .

Infine, i componenti del grafene possono trovare la loro strada in una vasta gamma di prodotti, dai laser ai chip per computer ultraveloci; ultracondensatori con capacità di archiviazione senza precedenti; strumenti per la rilevazione e la diagnosi microbica; celle fotovoltaiche; applicazioni di calcolo quantistico e molti altri.

Come suggerisce il nome, il grafene è strettamente correlato alla grafite. Ogni volta che si disegna una matita su una pagina, vengono sparsi minuscoli frammenti di grafene. Quando correttamente ingrandito, la sostanza assomiglia a un filo di pollo su scala atomica. I fogli del materiale possiedono eccezionali proprietà elettroniche e ottiche, rendendolo molto attraente per varie applicazioni.

"Il grafene è un materiale straordinario, costituito da atomi di carbonio collegati in una struttura a nido d'ape, "Tao dice, indicando l'enorme mobilità elettrica del grafene, la facilità con cui gli elettroni possono fluire attraverso il materiale. Una mobilità così elevata è un parametro critico nel determinare la velocità di componenti come i transistor.

Tuttavia, producendo quantità utilizzabili di grafene, può essere difficile. Fino ad ora, sono stati privilegiati due metodi, uno in cui il grafene a strato singolo viene staccato da un foglio multistrato di grafite, usando del nastro adesivo e l'altro, in cui i cristalli di grafene vengono coltivati ​​su un substrato, come il carburo di silicio.

In ogni caso, una proprietà intrinseca del grafene deve essere superata affinché il materiale sia adatto a un transistor. Come spiega Tao, "un transistor è fondamentalmente un interruttore:lo accendi o spegni. Un transistor al grafene è molto veloce ma il rapporto on/off è molto piccolo". Ciò è dovuto al fatto che lo spazio tra le bande di valenza e di conduzione del materiale —o band gap come è noto—è zero per il grafene.

Al fine di allargare la banda proibita e migliorare il rapporto on/off del materiale, fogli più grandi di grafene possono essere ridotti a dimensioni nanometriche. Questo ha l'effetto di aprire il divario tra le bande di valenza e di conduttanza e migliorare il rapporto on/off, sebbene tale riduzione delle dimensioni abbia un costo. Il processo è laborioso e tende a introdurre irregolarità nella forma e impurità nella composizione chimica, che degradano in qualche modo le proprietà elettriche del grafene. "Questa potrebbe non essere una soluzione praticabile per la produzione di massa, "Tao osserva.

Piuttosto che un approccio dall'alto verso il basso in cui i fogli di grafene sono ridotti a dimensioni adeguate per fungere da transistor, L'approccio di Tao è dal basso verso l'alto:costruire il grafene, molecolare pezzo per pezzo. Per fare questo, Tao si basa sulla sintesi chimica degli anelli benzenici, strutture esagonali, ciascuno formato da 6 atomi di carbonio. "Il benzene è solitamente un materiale isolante, " Dice Tao. Ma come più anelli di questo tipo sono uniti insieme, il comportamento del materiale diventa più simile a un semiconduttore.

Utilizzando questo processo, il gruppo è stato in grado di sintetizzare una molecola di coronene, costituito da 13 anelli benzenici disposti in una forma ben definita. La molecola è stata quindi dotata su entrambi i lati di gruppi di collegamento, leganti chimici che consentono di attaccare la molecola agli elettrodi, formando un circuito su scala nanometrica. Un potenziale elettrico è stato quindi fatto passare attraverso la molecola e il comportamento, osservato. La nuova struttura mostrava le proprietà del transistor, mostrando interruttori di accensione e spegnimento reversibili.

Tao sottolinea che il processo di sintesi chimica consente la messa a punto delle strutture in termini di dimensione ideale, forma e struttura geometrica, rendendolo vantaggioso per la produzione di massa commerciale. Il grafene può anche essere reso privo di difetti e impurità, riducendo così la dispersione elettrica e fornendo al materiale la massima mobilità e velocità di trasporto, ideale per l'elettronica ad alta velocità.

Nei dispositivi convenzionali, la resistenza è proporzionale alla temperatura, ma nei transistor al grafene di Tao et al., la mobilità degli elettroni è dovuta al tunneling quantistico, e rimane indipendente dalla temperatura, segno di un processo coerente.

Il gruppo crede che saranno in grado di ingrandire le strutture del grafene attraverso la sintesi chimica a forse centinaia di anelli, pur mantenendo un intervallo di banda sufficiente per consentire il comportamento di commutazione. La ricerca apre molte possibilità per la futura commercializzazione di questo materiale non comune, e il suo utilizzo in una nuova generazione di elettronica ad altissima velocità.