Telefoni cellulari che si piegano, nanodispositivi autoalimentati, la nuova e migliorata tecnologia delle celle solari e le finestre che generano elettricità sono solo alcuni dei potenziali prodotti dell'unione di semiconduttori e grafene.

I semiconduttori cresciuti su grafene presso l'Università norvegese di scienza e tecnologia (NTNU) potrebbero essere la più importante scoperta di ricerca del 2012 in Norvegia. Al centro degli sforzi di ricerca ci sono il professor Helge Weman, Il professor Bjørn-Ove Fimland e il borsista post-dottorato Dong Chul Kim. Il team sta ora lavorando per tradurre i risultati della loro ricerca di base in un prototipo iniziale.

Solo un atomo di spessore

Negli anni Sessanta, i ricercatori hanno immaginato che la grafite (carbonio puro) potesse essere tagliata in strati che misurassero solo un atomo di spessore, ottenendo il materiale noto come grafene.

Negli anni '90, i ricercatori sono riusciti a creare uno strato sottile come 100 atomi, ma non ci sono stati progressi dopo di ciò fino al 2004, quando Andre Geim, di origine russa, ha preso un distributore di nastro adesivo dalla sua scrivania all'Università di Manchester, premette un po' di nastro adesivo su un sottile strato di grafite e lo staccò. Quando esaminò il nastro al microscopio, scoprì uno strato spesso solo un atomo di carbonio. È nato il grafene!

Nel 2010, Il dottor Geim e il suo collega, Konstantin Novoselov, sono stati insigniti congiuntamente del Premio Nobel per la fisica per il loro lavoro nel dimostrare le proprietà uniche del grafene.

In testa al gruppo di NTNU

Sei mesi prima che il dottor Geim e il dottor Novoselov arrivassero a Stoccolma per ricevere il premio, e prima che il grafene diventasse un oggetto di interesse, Il borsista post-dottorato sudcoreano Dong Chul Kim alla NTNU aveva suggerito ai professori Helge Weman e Bjørn-Ove Fimland del Dipartimento di elettronica e telecomunicazioni di dare un'occhiata più da vicino proprio a questo materiale. Il suggerimento è arrivato poco dopo che un gruppo di ricerca nel loro dipartimento era riuscito a far crescere nanofili semiconduttori fatti di arseniuro di gallio (GaAs) su substrati di silicio. Ciò ha portato il dottor Weman a chiedersi se sarebbe invece possibile coltivare nanofili semiconduttori direttamente sul grafene.

L'esperienza collettiva del professor Weman, Il professor Fimland e il dottor Kim si sono rivelati una combinazione fruttuosa. I ricercatori hanno rapidamente raggiunto la loro prima svolta, nel settembre 2010, e nell'estate del 2012 sono riusciti a posizionare semiconduttori a nanofili su una base dello spessore di un atomo. Questi semiconduttori attivi normalmente raggiungono uno spessore di un micron (un milionesimo di metro).

Il silicio diventerà obsoleto?

Il grafene è sicuramente l'argomento più scottante in questo momento tra i ricercatori sui nanomateriali. Il materiale di carbonio puro è di gran lunga il più sottile e resistente che esista. È 200 volte più resistente dell'acciaio, conduce l'elettricità 100 volte più velocemente del silicio ed è superiore a qualsiasi altro materiale nel condurre il calore. è impenetrabile, ma flessibile e trasparente allo stesso tempo. E la produzione economica su larga scala di grafene sta diventando una realtà.

Attualmente, l'elettronica e le celle solari sono posizionate su spessi substrati di silicio. Ma il silicio ha chiari limiti, compresa la taglia. Le grandi aziende tecnologiche stanno lottando per produrre prodotti a base di silicio più piccoli di quelli attualmente sul mercato. Un'altra sfida con l'utilizzo del silicio è che l'elettronica a base di silicio genera una grande quantità di calore. Molte persone considerano il grafene il candidato principale per sostituire il silicio.

Grandi multinazionali come IBM e Samsung hanno dedicato molti sforzi alla ricerca sia sui semiconduttori che sul grafene. Ma la vera svolta nella crescita dei semiconduttori sul grafene è avvenuta alla NTNU di Trondheim.

Le scoperte di questi ricercatori a Trondheim possono essere utilizzate per realizzare componenti elettronici e celle solari che sono diverse centinaia di volte più sottili dei modelli attuali. Ciò consentirà di produrre un'elettronica flessibile e trasparente, oltre ad essere meno costoso e più efficiente dal punto di vista energetico.

Celle solari e LED più efficienti

Probabilmente non passerà molto tempo prima che i semplici prodotti a base di grafene inizino ad apparire sul mercato. Alcuni di essi saranno basati sulla tecnologia dei semiconduttori.

I semiconduttori sono un componente principale in quasi tutta l'elettronica moderna. Senza di loro, non sarebbe possibile avere computer, smartphone, celle solari, Luci a LED o dispositivi che utilizzano laser, vale a dire tutto, dalle stampanti alle comunicazioni in fibra. Tutti questi oggetti possono essere resi più piccoli e migliori usando il grafene. Il grafene può sostituire il substrato semiconduttore e fungere da elettrodo trasparente per una cella solare flessibile a nanofili.

"La tecnologia delle celle solari e dei LED saranno le aree iniziali per vedere nuovi prodotti che utilizzano semiconduttori a base di grafene, "Il dottor Weman crede.

L'energia da combustibili fossili a basso prezzo è la causa principale del riscaldamento globale. La luce solare è una fonte alternativa con un enorme potenziale, ma l'energia solare dovrà diventare meno costosa e più efficiente. I nanofili semiconduttori basati sul grafene potrebbero finalmente far pendere la bilancia a favore dell'energia solare.

"Se i nanofili semiconduttori cresciuti su grafene vengono utilizzati nelle celle solari, la stessa quantità di luce solare può essere convertita in energia utilizzando un decimo del volume dei materiali utilizzati nelle celle solari a film sottile. E questo significa che abbiamo ridotto ancora di più il materiale coltivando i semiconduttori sul grafene invece che su uno spesso substrato di semiconduttore. Una nuova ricerca mostra anche che il grafene ha ulteriori proprietà uniche che migliorano l'efficienza di una cella solare, "Spiega il dottor Weman.

Le lampadine a LED sono superiori in termini di efficienza energetica, ma sono stati più costosi da produrre a causa dei costosi substrati semiconduttori. I nanofili semiconduttori su grafene consentiranno di fornire al mondo lampadine a LED molto più economiche e molto più efficienti, ma anche più flessibili e con un peso inferiore rispetto alle lampadine di oggi.

L'industrializzazione all'orizzonte

Il lavoro sul grafene a NTNU ha attirato l'attenzione di molte aziende internazionali interessate a collaborare con i ricercatori di Trondheim e la loro azienda, CrayNano. Ma le potenziali domande industriali finora sono arrivate esclusivamente dall'Asia e dagli Stati Uniti. Gli attori in Norvegia e in Europa devono ancora esprimere alcun interesse.

"Siamo pionieri in quanto utilizziamo il grafene per qualcosa di diverso dalla ricerca di base. Potremmo già avere il nostro primo prototipo in atto entro la fine del 2013, ma non vogliamo svelare ancora di cosa si tratta, "dice il dottor Weman.

"Il campo in cui stiamo lavorando - utilizzando il grafene come sostituto del silicio e altri substrati semiconduttori nell'elettronica e nelle celle solari - comporta molte nuove opportunità. Ma il potenziale è altrettanto grande per le applicazioni che utilizzano il grafene in aree diverse dall'elettronica, come nel settore medico. Il grafene può essere utilizzato nel corpo senza causare alcun danno, "Spiega il dottor Weman.

"In un mondo in cui l'acqua potabile scarseggia, l'utilizzo di filtri in grafene modificato con ossigeno per purificare l'acqua è un'altra interessante applicazione. È un modo completamente nuovo per trasformare l'acqua di mare in acqua dolce".

In ogni caso, attività di ricerca e sviluppo saranno necessarie per molti anni. Il dottor Weman paragona lo stato attuale della ricerca sul grafene a dove si trovava il silicio nei primi anni '60.