In un articolo pubblicato questa settimana in Scienza , un team di Manchester guidato dai premi Nobel, il professor Andre Geim e il professor Konstantin Novoselov, ha letteralmente aperto una terza dimensione nella ricerca sul grafene. La loro ricerca mostra un transistor che potrebbe dimostrare l'anello mancante affinché il grafene diventi il ​​prossimo silicio.

Il grafene - un piano atomico di carbonio - è un materiale straordinario con infinite proprietà uniche, da elettronico a chimico e da ottico a meccanico.

Una delle tante potenziali applicazioni del grafene è il suo uso come materiale di base per i chip dei computer invece del silicio. Questo potenziale ha allertato l'attenzione dei principali produttori di chip, compresa IBM, Samsung, Texas Instruments e Intel. I singoli transistor con frequenze molto elevate (fino a 300 GHz) sono già stati dimostrati da diversi gruppi in tutto il mondo.

Sfortunatamente, quei transistor non possono essere imballati densamente in un chip di computer perché perdono troppa corrente, anche nello stato più isolante del grafene. Questa corrente elettrica farebbe fondere i trucioli in una frazione di secondo.

Questo problema esiste dal 2004, quando i ricercatori di Manchester hanno riportato i loro risultati sul grafene vincitori del Nobel e, nonostante un enorme sforzo mondiale per risolverlo da allora, nessuna soluzione reale è stata finora offerta.

Gli scienziati dell'Università di Manchester ora suggeriscono di utilizzare il grafene non lateralmente (nel piano) – come hanno fatto tutti gli studi precedenti – ma in direzione verticale. Hanno usato il grafene come elettrodo dal quale gli elettroni sono passati attraverso un dielettrico in un altro metallo. Questo è chiamato un diodo tunneling.

Quindi hanno sfruttato una caratteristica davvero unica del grafene:una tensione esterna può cambiare fortemente l'energia degli elettroni tunnel. Di conseguenza, hanno ottenuto un nuovo tipo di dispositivo:transistor a effetto tunnel verticale a effetto di campo in cui il grafene è un ingrediente fondamentale.

Il dottor Leonid Ponomarenko, che ha guidato lo sforzo sperimentale, ha dichiarato:"Abbiamo dimostrato un approccio concettualmente nuovo all'elettronica al grafene. I nostri transistor funzionano già abbastanza bene. Credo che possano essere ulteriormente migliorati, ridimensionato a dimensioni nanometriche e funziona a frequenze inferiori a THz."

"È una nuova prospettiva per la ricerca sul grafene e le possibilità per l'elettronica basata sul grafene non sono mai state migliori di ora", aggiunge il professor Novoselov.

Il grafene da solo non basterebbe per fare il salto di qualità. Fortunatamente, ci sono molti altri materiali, che sono spesse solo un atomo o una molecola, e sono stati usati per aiutare.

Il team di Manchester ha realizzato i transistor combinando il grafene con piani atomici di nitruro di boro e disolfuro di molibdeno. I transistor sono stati assemblati strato per strato in una sequenza desiderata, come una torta a strati ma su scala atomica.

Tali sovrastrutture a strati di torta non esistono in natura. È un concetto completamente nuovo introdotto nel rapporto dai ricercatori di Manchester. L'assieme su scala atomica offre molti nuovi gradi di funzionalità, senza alcuni dei quali il transistor tunneling sarebbe impossibile.

"Il transistor dimostrato è importante, ma il concetto di assemblaggio dello strato atomico è probabilmente ancora più importante, " spiega il professor Geim. Il professor Novoselov ha aggiunto:"Il transistor a tunnel è solo un esempio della collezione inesauribile di strutture a strati e nuovi dispositivi che ora possono essere creati da tale assemblaggio.

"Offre davvero infinite opportunità sia per la fisica fondamentale che per le applicazioni. Altri possibili esempi includono i diodi a emissione di luce, dispositivi fotovoltaici, e così via."