Mentre gli scienziati continuano a cercare un materiale che consentirà di imballare più transistor su un chip, una nuova ricerca della McGill University e dell'Université de Montréal aggiunge prove che il fosforo nero potrebbe emergere come un forte candidato.

In uno studio pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , i ricercatori riferiscono che quando gli elettroni si muovono in un transistor al fosforo, lo fanno solo in due dimensioni. La scoperta suggerisce che il fosforo nero potrebbe aiutare gli ingegneri a superare una delle grandi sfide per l'elettronica futura:progettare transistor ad alta efficienza energetica.

"I transistor funzionano in modo più efficiente quando sono sottili, con gli elettroni che si muovono in due sole dimensioni, "dice Thomas Szkopek, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della McGill e autore senior del nuovo studio. "Niente diventa più sottile di un singolo strato di atomi."

Nel 2004, i fisici dell'Università di Manchester nel Regno Unito hanno prima isolato ed esplorato le straordinarie proprietà del grafene, uno strato di carbonio dello spessore di un atomo. Da allora gli scienziati si sono affrettati a studiare una serie di altri materiali bidimensionali. Uno di questi è il fosforo nero, una forma di fosforo che è simile alla grafite e può essere facilmente separata in singoli strati atomici, noto come fosforene.

Il fosforene ha suscitato un interesse crescente perché supera molte delle sfide legate all'utilizzo del grafene nell'elettronica. A differenza del grafene, che si comporta come un metallo, il fosforo nero è un semiconduttore naturale:può essere facilmente acceso e spento.

"Per abbassare la tensione operativa dei transistor, e quindi ridurre il calore che generano, dobbiamo avvicinarci sempre di più alla progettazione del transistor a livello atomico, " Szkopek afferma. "La cassetta degli attrezzi del futuro per i progettisti di transistor richiederà una varietà di materiali a strati atomici:un semiconduttore ideale, un metallo ideale, e un dielettrico ideale. Tutti e tre i componenti devono essere ottimizzati per un transistor ben progettato. Il fosforo nero ricopre il ruolo di materiale semiconduttore".

Il lavoro è il risultato di una collaborazione multidisciplinare tra il gruppo di ricerca sulla nanoelettronica di Szkopek, il laboratorio di nanoscienze della McGill Physics Prof. Guillaume Gervais, e il gruppo di ricerca sulle nanostrutture del Prof. Richard Martel nel Dipartimento di Chimica dell'Université de Montréal.

Per esaminare come si muovono gli elettroni in un transistor al fosforo, i ricercatori li hanno osservati sotto l'influenza di un campo magnetico in esperimenti eseguiti presso il National High Magnetic Field Laboratory di Tallahassee, FL, il più grande e potente laboratorio di magneti al mondo. Questa ricerca "fornisce importanti spunti sulla fisica fondamentale che detta il comportamento del fosforo nero, "dice Tim Murphy, Direttore dell'impianto DC Field presso l'impianto della Florida.

"Ciò che sorprende in questi risultati è che gli elettroni possono essere trascinati in un foglio di carica bidimensionale, anche se occupano un volume di diversi strati atomici di spessore, " Dice Szkopek. Questa scoperta è significativa perché potrebbe potenzialmente facilitare la produzione del materiale, anche se a questo punto "nessuno sa come produrre questo materiale su larga scala".

"C'è un grande interesse emergente in tutto il mondo per il fosforo nero, " Szkopek dice. "Siamo ancora molto lontani dal vedere i transistor a strato atomico in un prodotto commerciale, ma ora ci siamo avvicinati di un passo".