I ricercatori stanno facendo progressi nella creazione di transistor digitali utilizzando un materiale chiamato grafene, potenzialmente aggirando un ostacolo pensato per limitare drasticamente l'uso del materiale nei computer e nell'elettronica di consumo.

Il grafene è uno strato di carbonio dello spessore di un atomo che conduce elettricità con poca resistenza o generazione di calore. Dopo la sua scoperta nel 2004 - che gli è valsa un Premio Nobel per la fisica - è stato pubblicizzato come un potenziale sostituto del silicio, forse portando a dispositivi ultraveloci con circuiti semplificati che potrebbero essere meno costosi da produrre.

Però, la lucentezza del grafene si è offuscata negli ultimi anni per le applicazioni digitali poiché i ricercatori hanno scoperto che non ha "gap di banda, "un tratto che serve per accendere e spegnere, che è fondamentale per i transistor digitali.

"Il fatto che il grafene sia un materiale a banda proibita per natura ha sollevato molte domande in termini di utilità per le applicazioni digitali, ", ha detto il dottorando della Purdue Hong-Yan Chen.

Gli elettroni nei semiconduttori come il silicio esistono a due livelli di energia, note come bande di valenza e di conduzione. Il gap energetico tra questi due livelli è chiamato band gap. Avere la banda proibita corretta consente ai transistor di accendersi e spegnersi, che consente ai circuiti digitali di memorizzare informazioni in codice binario costituito da sequenze di uno e zero.

Chen ha guidato un team di ricercatori nella creazione di un nuovo tipo di inverter al grafene, un elemento fondamentale dei transistor digitali. Altri ricercatori hanno creato inverter al grafene, ma dovevano essere operati a 77 gradi Kelvin, che è meno 196 Celsius (meno 320 Fahrenheit).

"Se il grafene potesse essere utilizzato nelle applicazioni digitali, sarebbe davvero importante, " disse Chen, che sta lavorando con Joerg Appenzeller, professore di ingegneria elettrica e informatica e direttore scientifico di nanoelettronica presso il Birck Nanotechnology Center di Purdue.

I ricercatori della Purdue sono i primi a creare inverter al grafene che funzionano a temperatura ambiente e hanno un guadagno maggiore di uno, un requisito fondamentale per l'elettronica digitale che consente ai transistor di amplificare i segnali e controllarne il passaggio da 0 a 1.

I risultati sono stati dettagliati in un documento, "Invertitori di grafene di tipo complementare funzionanti a temperatura ambiente, " presentato a giugno durante la Device Research Conference 2011 a Santa Barbara, Calif.

Finora i transistor al grafene sono stati pratici solo per applicazioni specializzate, come amplificatori per telefoni cellulari e sistemi militari. Però, i nuovi inverter rappresentano un passo verso l'apprendimento di come utilizzare il materiale per creare transistor in grafene per applicazioni digitali più ampie che includono computer ed elettronica di consumo.

Per creare dispositivi elettronici, il silicio è impregnato di impurità per modificare le sue proprietà di semiconduttore. Tale "doping" non è facilmente applicabile al grafene. Però, i ricercatori hanno potenzialmente risolto questo problema sviluppando "doping elettrostatico, " che consente agli inverter in grafene di imitare le caratteristiche degli inverter in silicio.

Il drogaggio elettrostatico è indotto attraverso il campo elettrico tra porte metalliche, che si trovano a 40 nanometri di distanza dai canali del grafene. Il drogaggio può essere alterato variando la tensione, consentendo ai ricercatori di testare livelli di doping specifici.

"Questo ci permetterà di trovare il punto debole per il funzionamento del dispositivo, " disse Chen.

Sarà necessario ulteriore lavoro per integrare il prototipo in un circuito di grafene funzionante per applicazioni digitali.