C'è un nuovo modo di progettare chip per computer e circuiti elettronici per ambienti estremi:realizzarli in diamante.

Un team di ingegneri elettrici della Vanderbilt University ha sviluppato tutti i componenti di base necessari per creare dispositivi microelettronici a partire da film sottili di nanodiamante. Hanno creato versioni diamante di transistor e, più recentemente, porte logiche, che sono un elemento chiave nei computer.

"I dispositivi basati su diamante hanno il potenziale per funzionare a velocità più elevate e richiedono meno energia rispetto ai dispositivi basati su silicio, " Il professore di ricerca di ingegneria elettrica Jimmy Davidson ha detto. "Il diamante è il materiale più inerte conosciuto, quindi i nostri dispositivi sono in gran parte immuni ai danni da radiazioni e possono funzionare a temperature molto più elevate rispetto a quelli realizzati in silicio".

Il loro design di un cancello logico è descritto nel numero del 4 agosto della rivista Lettere di elettronica . I coautori del documento sono lo studente laureato Nikkon Ghosh, Professore di ingegneria elettrica Weng Poo Kang.

Non un anello di fidanzamento

Davidson si è affrettato a sottolineare che anche se il loro design utilizza film diamantati, non è esorbitantemente costoso. I dispositivi sono così piccoli che circa un miliardo di essi può essere fabbricato da un carato di diamante. I film sono realizzati con idrogeno e metano utilizzando un metodo chiamato deposizione chimica da vapore ampiamente utilizzato nell'industria della microelettronica per altri scopi. Questa forma di diamante depositata è inferiore a un millesimo del costo del diamante "gioiello", che lo ha reso abbastanza economico da far sì che le aziende mettano rivestimenti diamantati sugli utensili, pentole e altri prodotti industriali. Di conseguenza, il costo di produzione di dispositivi nanodiamanti dovrebbe essere competitivo con il silicio.

Le potenziali applicazioni includono l'elettronica militare, circuiti che operano nello spazio, interruttori ad altissima velocità, applicazioni e sensori a bassissima potenza che operano in ambienti ad alta radiazione, a temperature estremamente elevate fino a 900 gradi Fahrenheit e temperature estremamente basse fino a meno 300 gradi Fahrenheit.

Ibrido di vecchio e nuovo

I circuiti in nanodiamante sono un ibrido di tubi a vuoto vecchio stile e moderna microelettronica a stato solido e combinano alcune delle migliori qualità di entrambe le tecnologie.
I dispositivi Nanodiamond sono costituiti da un sottile film di nanodiamante che viene depositato su uno strato di biossido di silicio. Proprio come fanno nei tubi a vuoto, gli elettroni si muovono attraverso il vuoto tra i componenti del nanodiamante, invece di fluire attraverso il materiale solido come fanno nei normali dispositivi microelettronici. Di conseguenza, richiedono il confezionamento sottovuoto per funzionare.

"Il motivo per cui il tuo laptop si surriscalda è perché gli elettroni che pompano attraverso i suoi transistor urtano gli atomi nel semiconduttore e li riscaldano, " Davidson ha detto. "Poiché i nostri dispositivi utilizzano il trasporto di elettroni nel vuoto, non producono altrettanto calore".

Questa efficienza di trasmissione è anche uno dei motivi per cui i nuovi dispositivi possono funzionare con quantità molto piccole di corrente elettrica. Un altro è che il diamante è il miglior emettitore di elettroni al mondo, quindi non ci vuole molta energia per produrre forti fasci di elettroni. "Pensiamo di poter realizzare dispositivi che utilizzano un decimo della potenza dei dispositivi al silicio più efficienti, ", ha detto Davidson.

Il design è anche in gran parte immune ai danni da radiazioni. Le radiazioni interrompono il funzionamento dei transistor inducendo una carica indesiderata nel silicio, provocando un effetto come far scattare l'interruttore automatico in casa. Nel dispositivo nanodiamante, d'altra parte, gli elettroni fluiscono attraverso il vuoto, quindi non c'è nulla che le particelle energetiche possano disturbare. Se le particelle colpiscono l'anodo o il catodo del nanodiamante, l'impatto è limitato a una piccola fluttuazione nel flusso di elettroni, interruzione non completa, come nel caso dei dispositivi al silicio.

"Quando ho letto dei problemi alla centrale di Fukushima dopo lo tsunami giapponese, Mi sono reso conto che i circuiti in nanodiamante sarebbero stati perfetti per i circuiti di sicurezza nei reattori nucleari, " Ha detto Davidson. "Non sarebbe influenzato da alti livelli di radiazioni o dalle alte temperature create dalle esplosioni".

I dispositivi nanodiamanti possono essere fabbricati con i processi attualmente utilizzati dall'industria dei semiconduttori. L'unica eccezione è il requisito di operare nel vuoto, che richiederebbe qualche modifica nel processo di confezionamento. Attualmente, i chip semiconduttori sono sigillati in confezioni riempite con un gas inerte come l'argon o semplicemente incapsulati in plastica, proteggendoli dalla degradazione chimica. Davidson e i suoi colleghi hanno studiato il processo di confezionamento e hanno scoperto che i sigilli metallici utilizzati nei circuiti di livello militare sono abbastanza forti da mantenere un vuoto adeguato per secoli.