I giorni del rame sono contati, e un nuovo studio al Rensselaer Polytechnic Institute potrebbe accelerare la caduta dell'onnipresente metallo negli smartphone, computer tablet, e quasi tutta l'elettronica. Questa è una buona notizia per i tecnofili che cercano più piccoli, dispositivi più veloci.

Man mano che le nuove generazioni di chip per computer continuano a ridursi di dimensioni, così fanno i percorsi in rame che trasportano elettricità e informazioni nel labirinto di transistor e componenti. Quando questi percorsi, chiamati interconnessioni, si riducono, diventano meno efficienti, consumare più energia, e sono più inclini al fallimento permanente.

Per superare questo ostacolo, l'industria e il mondo accademico stanno ricercando vigorosamente nuovi candidati per sostituire il rame tradizionale come materiale di scelta per le interconnessioni sui chip dei computer. Un candidato promettente è il grafene, un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un atomo disposto come un recinto di rete metallica su nanoscala. Apprezzato dai ricercatori per le sue proprietà uniche, il grafene è essenzialmente un singolo strato della grafite che si trova comunemente nelle nostre matite o del carbone che bruciamo sui nostri barbecue.

Guidati dal professor Rensselaer Saroj Nayak, un team di ricercatori ha scoperto che potrebbero migliorare la capacità del grafene di trasmettere elettricità impilando diversi sottili nastri di grafene uno sopra l'altro. Lo studio, pubblicato sulla rivista ACS Nano , avvicina l'industria alla realizzazione della nanoelettronica di grafene e nomina il grafene come l'erede apparente del rame.

"Il grafene mostra un enorme potenziale per l'uso nelle interconnessioni, e impilare il grafene mostra un modo praticabile per produrre in serie queste strutture, " ha detto Nayak, professore presso il Dipartimento di Fisica, Fisiche applicate, e Astronomia a Rensselaer. "I limiti di Cooper sono evidenti, poiché le interconnessioni in rame sempre più piccole soffrono di flussi di elettroni lenti che si traducono in più caldi, dispositivi meno affidabili. Il nostro nuovo studio sostiene la possibilità che pile di nastri di grafene possano avere le carte in regola per essere utilizzate come interconnessioni nei circuiti integrati".

Lo studio, basato su simulazioni quantistiche su larga scala, è stato condotto utilizzando il Rensselaer Computational Center for Nanotechnology Innovations (CCNI), uno dei supercomputer universitari più potenti al mondo.

Le interconnessioni in rame soffrono di una serie di problemi indesiderati, che diventano più evidenti man mano che le dimensioni delle interconnessioni si riducono. Gli elettroni viaggiano lentamente attraverso i nanofili di rame e generano un calore intenso. Di conseguenza, gli elettroni "trascinano" con sé atomi di rame. Questi atomi fuori posto aumentano la resistenza elettrica del filo di rame, e degradare la capacità del filo di trasportare gli elettroni. Ciò significa che meno elettroni sono in grado di passare con successo attraverso il rame, e tutti gli elettroni persistenti sono espressi come calore. Questo calore può avere effetti negativi sia sulla velocità che sulle prestazioni del chip del computer.

È generalmente accettato che un sostituto di qualità per il rame tradizionale debba essere scoperto e perfezionato nei prossimi 5-10 anni al fine di perpetuare ulteriormente la Legge di Moore, un mantra del settore che afferma il numero di transistor su un chip di computer, e quindi la velocità del chip, dovrebbe raddoppiare ogni 18-24 mesi.

Il recente lavoro di Nayak, pubblicato sulla rivista ACS Nano, è intitolato "Effetto dell'impilamento di strati sulla struttura elettronica dei nanoribboni di grafene". Quando viene tagliato in nanonastri, è noto che il grafene esibisce un gap di banda, un gap energetico tra le bande di valenza e di conduzione, che è una proprietà poco attraente per le interconnessioni. Il nuovo studio mostra che impilando i nanonastri di grafene uno sopra l'altro, però, potrebbe ridurre significativamente questo gap di banda. Lo studio può essere visualizzato online all'indirizzo:http://dx.doi.org/10.1021/nn200941u

"Lo spessore ottimale è una pila di quattro o sei strati di grafene, " disse Neerav Kharche, primo autore dello studio e scienziato computazionale al CCNI. "Impilare più strati oltre questo spessore non riduce ulteriormente il gap di banda".

La destinazione finale, Nayak ha detto, è quello di produrre un giorno microprocessori, sia le interconnessioni che i transistor, interamente in grafene. Questo obiettivo rivoluzionario, chiamata integrazione monolitica, significherebbe la fine della lunga era delle interconnessioni in rame e dei transistor al silicio.

"Un tale progresso è probabilmente ancora molti anni nel futuro, ma certamente rivoluzionerà il modo in cui quasi tutti i computer e l'elettronica sono progettati e prodotti, "ha detto Najak.