Gli scienziati di IBM hanno dimostrato un nuovo approccio alla nanotecnologia del carbonio che apre la strada alla fabbricazione commerciale di dispositivi notevolmente più piccoli, chip per computer più veloci e potenti. Per la prima volta, più di diecimila transistor funzionanti realizzati con tubi di carbonio di dimensioni nanometriche sono stati posizionati e testati con precisione in un singolo chip utilizzando processi a semiconduttore standard. Questi dispositivi in carbonio sono pronti a sostituire e superare la tecnologia del silicio consentendo un'ulteriore miniaturizzazione dei componenti informatici e aprendo la strada alla futura microelettronica.
Aiutato da una rapida innovazione nel corso di quattro decenni, la tecnologia dei microprocessori al silicio si è continuamente ridotta in termini di dimensioni e migliorata in prestazioni, guidando così la rivoluzione della tecnologia dell'informazione. transistor al silicio, minuscoli interruttori che trasportano informazioni su un chip, sono stati ridotti anno dopo anno, ma si stanno avvicinando a un punto di limitazione fisica. Le loro dimensioni sempre più ridotte, ora raggiungendo la nanoscala, vieterà qualsiasi aumento delle prestazioni dovuto alla natura del silicio e alle leggi della fisica. Entro poche generazioni ancora, il ridimensionamento e il restringimento classici non produrranno più i vantaggi considerevoli di una potenza inferiore, processori a basso costo e velocità più elevati a cui l'industria si è abituata.
I nanotubi di carbonio rappresentano una nuova classe di materiali semiconduttori le cui proprietà elettriche sono più attraenti del silicio, in particolare per la costruzione di dispositivi a transistor su scala nanometrica con poche decine di atomi di diametro. Gli elettroni nei transistor al carbonio possono muoversi più facilmente rispetto ai dispositivi a base di silicio, consentendo un trasporto più rapido dei dati. I nanotubi sono anche idealmente sagomati per i transistor su scala atomica, un vantaggio rispetto al silicio. Queste qualità sono tra le ragioni per sostituire il tradizionale transistor al silicio con il carbonio e, insieme alle nuove architetture di progettazione dei chip, consentiranno l'innovazione informatica su scala ridotta per il futuro.
L'approccio sviluppato nei laboratori IBM apre la strada alla fabbricazione di circuiti con un gran numero di transistor a nanotubi di carbonio in posizioni di substrato predeterminate. La capacità di isolare i nanotubi semiconduttori e posizionare un'alta densità di dispositivi in carbonio su un wafer è fondamentale per valutare la loro idoneità per una tecnologia:alla fine sarà necessario più di un miliardo di transistor per la futura integrazione nei chip commerciali. Fino ad ora, gli scienziati sono stati in grado di posizionare al massimo poche centinaia di dispositivi di nanotubi di carbonio alla volta, non abbastanza per affrontare questioni chiave per le applicazioni commerciali.
"Nanotubi di carbonio, nato dalla chimica, sono state in gran parte curiosità di laboratorio per quanto riguarda le applicazioni microelettroniche. Stiamo tentando i primi passi verso una tecnologia fabbricando transistor a nanotubi di carbonio all'interno di un'infrastruttura di fabbricazione di wafer convenzionale, " disse Supratik Guha, Direttore delle Scienze Fisiche presso IBM Research. "La motivazione per lavorare sui transistor a nanotubi di carbonio è che a dimensioni nanometriche estremamente piccole, superano i transistor realizzati con qualsiasi altro materiale. Però, ci sono sfide da affrontare come la purezza ultra elevata dei nanotubi di carbonio e il posizionamento deliberato su scala nanometrica. Abbiamo fatto passi da gigante in entrambi".
Originariamente studiati per la fisica che deriva dalle loro dimensioni e forme atomiche, i nanotubi di carbonio vengono esplorati da scienziati di tutto il mondo in applicazioni che abbracciano circuiti integrati, stoccaggio e conversione dell'energia, rilevamento biomedico e sequenziamento del DNA.
Questo risultato è stato pubblicato oggi nella rivista peer-reviewed Nanotecnologia della natura .
La strada per il carbonio
Carbonio, un elemento base facilmente reperibile da cui sono fatti cristalli duri come diamanti e morbidi come la "mina" di una matita, dispone di un'ampia gamma di applicazioni IT.
I nanotubi di carbonio sono singoli fogli atomici di carbonio arrotolati in un tubo. Il nanotubo di carbonio costituisce il nucleo di un dispositivo a transistor che funzionerà in modo simile all'attuale transistor al silicio, ma sarà più performante. Potrebbero essere usati per sostituire i transistor nei chip che alimentano i nostri server data-crunching, computer ad alte prestazioni e smartphone ultra veloci.
All'inizio di quest'anno, I ricercatori IBM hanno dimostrato che i transistor a nanotubi di carbonio possono funzionare come interruttori eccellenti con dimensioni molecolari inferiori a dieci nanometri, l'equivalente di 10, 000 volte più sottile di una ciocca di capelli umani e meno della metà delle dimensioni della principale tecnologia al silicio. La modellazione completa dei circuiti elettronici suggerisce che è possibile un miglioramento delle prestazioni di circa cinque o dieci volte rispetto ai circuiti in silicio.
Ci sono sfide pratiche affinché i nanotubi di carbonio diventino una tecnologia commerciale, in particolare, come menzionato prima, a causa della purezza e del posizionamento dei dispositivi. I nanotubi di carbonio si presentano naturalmente come un mix di specie metalliche e semiconduttrici e devono essere posizionati perfettamente sulla superficie del wafer per realizzare circuiti elettronici. Per il funzionamento del dispositivo, è utile solo il tipo di tubi a semiconduttore che richiede essenzialmente la rimozione completa di quelli metallici per evitare errori nei circuiti. Anche, affinché avvenga un'integrazione su larga scala, è fondamentale essere in grado di controllare l'allineamento e la posizione dei dispositivi a nanotubi di carbonio su un substrato.
Per superare queste barriere, I ricercatori IBM hanno sviluppato un nuovo metodo basato sulla chimica dello scambio ionico che consente il posizionamento preciso e controllato di nanotubi di carbonio allineati su un substrato ad alta densità, due ordini di grandezza in più rispetto agli esperimenti precedenti, consentendo il posizionamento controllato di singoli nanotubi con una densità di circa un miliardo per centimetro quadrato.
Il processo inizia con nanotubi di carbonio miscelati con un tensioattivo, una specie di sapone che li rende solubili in acqua. Un substrato è costituito da due ossidi con fossette fatte di ossido di afnio chimicamente modificato (HfO 2 ) e il resto di ossido di silicio (SiO 2 ). Il substrato viene immerso nella soluzione di nanotubi di carbonio e i nanotubi si attaccano tramite un legame chimico all'HfO 2 regioni mentre il resto della superficie rimane pulito.
Combinando la chimica, processing and engineering expertise, IBM researchers are able to fabricate more than ten thousand transistors on a single chip.
Per di più, rapid testing of thousands of devices is possible using high volume characterization tools due to compatibility to standard commercial processes.
As this new placement technique can be readily implemented, involving common chemicals and existing semiconductor fabrication, it will allow the industry to work with carbon nanotubes at a greater scale and deliver further innovation for carbon electronics.
