I ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute hanno sviluppato un nuovo metodo per utilizzare l'acqua per regolare la banda proibita del nanomateriale grafene, aprendo la porta a nuovi transistor e nanoelettronica basati sul grafene.

Esponendo un film di grafene all'umidità, Il professor Nikhil Koratkar di Rensselaer e il suo team di ricerca sono stati in grado di creare un gap di banda nel grafene, un prerequisito fondamentale per la creazione di transistor al grafene. Nel cuore dell'elettronica moderna, i transistor sono dispositivi che possono essere "accesi" o "spenti" per alterare un segnale elettrico. I microprocessori per computer sono composti da milioni di transistor realizzati con il materiale semiconduttore silicio, per il quale l'industria sta attivamente cercando un successore.

Grafene, un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un atomo disposti come un recinto di collegamento a catena su nanoscala, non ha banda proibita. Il team di Koratkar ha dimostrato come aprire una banda proibita nel grafene in base alla quantità di acqua che hanno adsorbito su un lato del materiale, sintonizzando con precisione il band gap su qualsiasi valore compreso tra 0 e 0,2 elettronvolt. Questo effetto era completamente reversibile e il band gap si riduceva a zero sotto vuoto. La tecnica non comporta alcuna ingegneria complicata o modifica del grafene, ma richiede un recinto in cui l'umidità possa essere controllata con precisione.

"Il grafene è apprezzato per le sue proprietà meccaniche uniche e attraenti. Ma se dovessi costruire un transistor usando il grafene, semplicemente non funzionerebbe poiché il grafene si comporta come un semi-metallo e ha zero band gap, " disse Koratkar, professore presso il Dipartimento di Meccanica, Aerospaziale, e ingegneria nucleare a Rensselaer. "In questo studio, abbiamo dimostrato un metodo relativamente semplice per dare al grafene una banda proibita. Questo potrebbe aprire la porta all'utilizzo del grafene per una nuova generazione di transistor, diodi, nanoelettronica, nanofotonica, e altre applicazioni".

I risultati dello studio sono stati dettagliati nel documento "Tunable Band gap in Graphene by the Controlled Adsorbtion of Water Molecules, " pubblicato questa settimana dalla rivista Piccolo .

Nel suo stato naturale, il grafene ha una struttura particolare ma nessun band gap. Si comporta come un metallo ed è conosciuto come un buon conduttore. Questo è paragonato alla gomma o alla maggior parte delle materie plastiche, che sono isolanti e non conducono elettricità. Gli isolanti hanno un ampio gap di banda - un gap energetico tra le bande di valenza e di conduzione - che impedisce agli elettroni di condurre liberamente nel materiale.

Tra i due ci sono i semiconduttori, che può fungere sia da conduttore che da isolante. I semiconduttori hanno una banda proibita stretta, e l'applicazione di un campo elettrico può provocare il salto di elettroni attraverso il divario. La capacità di passare rapidamente da uno stato all'altro - "on" e "off" - è il motivo per cui i semiconduttori sono così preziosi nella microelettronica.

"Al centro di qualsiasi dispositivo a semiconduttore c'è un materiale con una banda proibita, " disse Koratkar. "Se guardi ai chip e ai microprocessori dei telefoni cellulari di oggi, dispositivi mobili, e computer, ciascuno contiene una moltitudine di transistor realizzati con semiconduttori con band gap. Il grafene è un materiale a banda proibita zero, che ne limita l'utilità. Quindi è fondamentale sviluppare metodi per indurre un gap di banda nel grafene per renderlo un materiale semiconduttore rilevante".

La simmetria della struttura reticolare del grafene è stata identificata come una ragione per la mancanza di banda proibita del materiale. Koratkar ha esplorato l'idea di rompere questa simmetria legando le molecole a un solo lato del grafene. Per fare questo, ha fabbricato il grafene su una superficie di silicio e biossido di silicio, e quindi esposto il grafene in una camera ambientale con umidità controllata. Nella camera, molecole d'acqua adsorbite sul lato esposto del grafene, ma non dal lato rivolto verso il biossido di silicio. Con la simmetria rotta, il band gap del grafene lo ha fatto, infatti, aprire, disse Koratkar. All'effetto contribuisce anche l'umidità che interagisce con i difetti del substrato di biossido di silicio.

"Altri hanno mostrato come creare una banda proibita nel grafene assorbendo diversi gas sulla sua superficie, ma questa è la prima volta che si fa con l'acqua, " ha detto. "Il vantaggio di adsorbimento di acqua, rispetto ai gas, è che è poco costoso, non tossico, e molto più facile da controllare in un'applicazione di chip. Per esempio, con i progressi nelle tecnologie di micro-imballaggio è relativamente semplice costruire un piccolo involucro attorno a determinate parti o all'intero chip di un computer in cui sarebbe abbastanza facile controllare il livello di umidità".

In base al livello di umidità nel recinto, i produttori di chip potrebbero sintonizzare in modo reversibile il gap di banda del grafene su qualsiasi valore da 0 a 0,2 elettronvolt, disse Korarkar.