I componenti elettronici sono spesso solo di pochi nanometri. Secondo la legge di Moore, un transistor si dimezza ogni due anni, Per esempio, che è l'unica possibilità per posizionare due miliardi di transistor in un nanoformato su un chip per smartphone. I piccoli dispositivi assicurano che lo smartphone possa stare al passo con le esigenze in continua evoluzione:essere un telefono e una fotocamera, così come una videocamera di qualità, motore di ricerca, monitor della salute personale e intrattenitore. E così facendo, i componenti devono funzionare in modo efficiente dal punto di vista energetico ed essere producibili a costi contenuti.

I più piccoli componenti elettronici diventano, però, più sono difficili da produrre. A titolo di confronto:un globulo rosso è 7, 000 nanometri di diametro, un capello umano 80, 000. Di conseguenza, produrre un transistor di 20 nanometri e più piccolo da semiconduttori come l'elemento silicio non è solo una sfida tecnica. effetti fisici, i cosiddetti modelli di meccanica quantistica, alterare le proprietà dei materiali su scala nanometrica, che complica la vita a progettisti e ingegneri nello sviluppo e nella costruzione di nanodispositivi. Il professor Mathieu Luisier dell'Integrated Systems Laboratory dell'ETH di Zurigo è ora venuto in soccorso.

Previsioni del computer

Luisier ha trascorso più di dieci anni ad affinare un programma software che simula i transistor del futuro, che misurano solo pochi nanometri. È supportato dal supercomputer CSCS "Piz Daint", che aiuta a prevedere cosa succede quando la composizione, la forma e la dimensione dei materiali cambiano nel nanomondo. Per quanto riguarda Luisier, "Piz Daint" è attualmente la migliore e più efficiente macchina di simulazione nella ricerca di nuove, combinazioni di materiali ideali. Il lavoro del professore dell'ETH-Zurigo è stato accolto con grande interesse nell'industria poiché le simulazioni consentono di risparmiare tempo e costi di sperimentazione nello sviluppo di nuovi, componenti elettronici efficienti.

Un problema quando miliardi di transistor convenzionali sono posizionati su un chip è che generano un'enorme quantità di calore e si surriscaldano facilmente. Questo perché gli elettroni rilasciano energia mentre attraversano il transistor. Luisier e il suo team usano il loro software OMEN, un cosiddetto simulatore quantistico, per simulare il trasporto di elettroni a livello atomico per studiare esattamente cosa succede. Il transistor simulato è costituito da un nanofilo di cristalli di silicio. "Quando gli elettroni fluiscono attraverso il filo, possiedono inizialmente una costante, elevata quantità di energia, che gradualmente decresce e viene assorbito dal reticolo cristallino del silicio sotto forma di cosiddetti fononi, " spiega Luisier. L'interazione tra gli elettroni e i fononi riscalda il cristallo e l'energia complessiva rimane intatta - prova per i ricercatori che il loro modello riproduce correttamente il processo. L'obiettivo ora è costruire il transistor sulla base dei risultati ottenuti tramite le simulazioni in in modo tale che gli elettroni perdano meno energia possibile lungo il percorso.

Giocare con i cristalli

Da una parte, i ricercatori sono in grado di "giocare" con l'ordine dei diversi livelli di cristallo nel cristallo e alterare la struttura cristallina o sostituire il silicio con un altro materiale semiconduttore nelle loro simulazioni. D'altra parte, possono verificare le funzionalità e le diverse proprietà dei cristalli simulati. Ad esempio, i ricercatori hanno simulato un nanofilo, dove il canale è racchiuso in un ossido e un contatto metallico (gate). I fononi emessi dagli elettroni vengono effettivamente "catturati" nel canale e possono lasciare la struttura solo in determinati punti:l'inizio e la fine del nanofilo. "Sostituendo il guscio attorno al filo con una struttura che assomiglia alla lettera omega si ottiene un'area più ampia da cui i fononi possono sfuggire, " dice Luisier. Se l'area è anche direttamente a contatto con un segmento di raffreddamento, il transistor si riscalda in misura minore. I semiconduttori genererebbero anche meno calore se fossero costruiti con materiali come arseniuro di indio gallio o germanio perché questi materiali consentono agli elettroni di muoversi più velocemente. Però, sono molto più costosi del silicio.

Durante le simulazioni, i ricercatori producono le strutture progettate atomo per atomo. Come nel metodo convenzionale cosiddetto "ab initio", che viene utilizzato intensivamente per analizzare le proprietà dei materiali, l'equazione di Schrödinger è risolta anche nelle simulazioni condotte dal team di Luisier. Ciò consente loro di studiare come interagiscono elettroni e fononi.

Però, ci sono due differenze principali:mentre il metodo ab initio risolve il movimento ondulatorio degli elettroni in un sistema chiuso o periodicamente ripetitivo, Il gruppo di Luisier integra il metodo con condizioni al contorno aperte, che consente di simulare il trasporto. Gli scienziati possono quindi osservare sia i flussi di elettroni che le correnti termiche, e descrivere l'interconnessione con l'ambiente circostante, l'interazione del flusso di elettroni con le correnti termiche. Un'altra differenza è che i calcoli che utilizzano OMEN sono attualmente condotti sulla base di modelli empirici in quanto sono ancora troppo complessi e "ab initio" ad alta intensità di computer.

Elaborazione ad alte prestazioni

Però, nuovi algoritmi sono in fase di sviluppo nell'ambito di un progetto PASC in collaborazione con scienziati dell'Università della Svizzera italiana e dell'EPF Losanna per rendere i calcoli più efficienti. "A medio termine, vogliamo sostituire tutti i modelli empirici con quelli ab initio in modo da poter calcolare in modo più semplice e preciso strutture realizzate con materiali diversi, " dice Luisier. "Ecco perché abbiamo bisogno di algoritmi ottimizzati e macchine come Piz Daint."

Ciò nonostante, Luisier sottolinea che, al meglio delle sue conoscenze, l'approccio empirico del suo team è più all'avanguardia che mai nello sviluppo di nanocomponenti elettronici. Un altro dei focus di ricerca del suo gruppo è la simulazione delle batterie agli ioni di litio. "Se comprendiamo più precisamente lo sviluppo del calore nei transistor o nelle batterie, saremo in grado di proporre disegni migliori, " dice Luisier. "OMEN è un simulatore di componenti di nuova generazione, dove gli ingegneri usano concetti che non sono mai stati usati prima nella scienza dei materiali, chimica o fisica".