Un team di ricercatori dell'Università della California, Il Bourns College of Engineering di Riverside ha risolto un problema che in precedenza presentava un serio ostacolo all'uso del grafene nei dispositivi elettronici.

Immagine al microscopio elettronico a scansione del dispositivo al grafene utilizzato nello studio. La barra della scala è di un micrometro. Il logo UCR accanto è realizzato con grafene inciso.

Il grafene è un cristallo di carbonio spesso un atomo con proprietà uniche vantaggiose per l'elettronica, tra cui mobilità degli elettroni estremamente elevata e conduttività termica dei fononi. Però, il grafene non ha una banda proibita energetica, che è una proprietà specifica dei materiali semiconduttori che separa gli elettroni dalle lacune e consente di spegnere completamente un transistor realizzato con un dato materiale.

Un transistor implementato con grafene sarà molto veloce ma soffrirà di correnti di dispersione e dissipazione di potenza mentre è spento a causa dell'assenza del gap di energia. Gli sforzi per indurre un band-gap nel grafene tramite il confinamento quantistico o la funzionalizzazione della superficie non hanno portato a una svolta. Ciò ha lasciato gli scienziati a chiedersi se le applicazioni del grafene nei circuiti elettronici per l'elaborazione delle informazioni fossero fattibili.

La squadra dell'UC Riverside - Alexander Balandin e Roger Lake, entrambi professori di ingegneria elettrica, Alessandro Chitun, professore a contratto di ingegneria elettrica, e Guanxiong Liu e Sonia Ahsan, entrambi hanno conseguito il dottorato di ricerca presso l'UC Riverside mentre lavoravano a questa ricerca, hanno eliminato questo dubbio.

"La maggior parte dei ricercatori ha cercato di cambiare il grafene per renderlo più simile ai semiconduttori convenzionali per applicazioni nei circuiti logici, " Balandin ha detto. "Questo di solito si traduce in un degrado delle proprietà del grafene. Per esempio, i tentativi di indurre un gap di banda di energia comunemente provocano una diminuzione della mobilità degli elettroni pur non portando a un gap di banda sufficientemente ampio".

"Abbiamo deciso di adottare un approccio alternativo, " ha detto Balandin. "Invece di cercare di cambiare il grafene, abbiamo cambiato il modo in cui le informazioni vengono elaborate nei circuiti."

Il team dell'UCR ha dimostrato che la resistenza differenziale negativa osservata sperimentalmente nei transistor ad effetto di campo al grafene consente la costruzione di architetture computazionali non booleane praticabili con il grafene senza gap. La resistenza differenziale negativa - osservata in alcuni schemi di polarizzazione - è una proprietà intrinseca del grafene derivante dalla sua struttura a bande simmetrica. La versione avanzata del documento con i risultati dell'UCR è accessibile all'indirizzo http://arxiv.org/abs/1308.2931.

Logica digitale moderna, che viene utilizzato in computer e telefoni cellulari, si basa sull'algebra booleana implementata nei circuiti basati su interruttori a semiconduttore. Utilizza zero e uno per la codifica e l'elaborazione delle informazioni. Però, la logica booleana non è l'unico modo per elaborare le informazioni. Il team di UC Riverside ha proposto di utilizzare specifiche caratteristiche di tensione di corrente del grafene per costruire l'architettura logica non booleana, che utilizza i principi delle reti non lineari.

I transistor al grafene per questo studio sono stati costruiti e testati da Liu presso il Nano-Device Laboratory di Balandin presso l'UC Riverside. I processi fisici che portano a caratteristiche elettriche insolite sono stati simulati utilizzando modelli atomistici da Ahsan, che lavorava sotto Lake. Khitun ha fornito competenze su architetture logiche non booleane.

La modellazione atomistica condotta nel gruppo di Lake mostra che la resistenza differenziale negativa appare non solo nei dispositivi di grafene di dimensioni microscopiche ma anche su scala nanometrica, che consentirebbe la fabbricazione di circuiti estremamente piccoli e a bassa potenza.

L'approccio proposto per i circuiti di grafene presenta un cambiamento concettuale nella ricerca sul grafene e indica un percorso alternativo per le applicazioni del grafene nell'elaborazione delle informazioni secondo il team di UC Riverside.