Le interazioni tra il grafene e il suo ambiente hanno un'influenza significativa sull'uso di questo materiale promettente da parte dell'industria dei semiconduttori. Grazie ai risultati completi di un progetto di ricerca internazionale, queste interazioni sono ora meglio comprese e di conseguenza possono essere controllate.

Il grafene è uno strato di carbonio sottile come un atomo. Grazie alle sue caratteristiche strutturali ed elettroniche uniche, il materiale ha un potenziale enorme ed è al centro di grandi aspettative, tuttavia, usi e applicazioni concrete devono ancora concretizzarsi. Come spesso accade quando si tratta di un'applicazione praticabile, il diavolo è nei dettagli. Un progetto finanziato dal Fondo austriaco per la scienza FWF è riuscito a fare i conti con alcuni di questi dettagli.

Mirare ai semiconduttori

"I singoli componenti a base di grafene presentano già caratteristiche eccezionali, " spiega il capo progetto Thomas Pichler del dipartimento delle proprietà elettroniche dei materiali dell'Università di Vienna. "Tuttavia, l'importante svolta nella sua applicazione come componente elettronico integrato non è ancora emersa. Semplicemente non è stato possibile utilizzare questo materiale per la tecnologia dei semiconduttori consolidata in un modo che possa essere replicato in modo affidabile." Uno dei maggiori ostacoli è la mancanza di controllo delle interazioni del grafene con il suo ambiente a livello atomico. Di conseguenza, è stato quasi impossibile distribuire il materiale in modo prevedibile e mirato. Anche l'interazione tra grafene e substrato, a cui deve essere applicato per la sua estrema sottigliezza, è stato compreso solo in parte. Pichler e il suo gruppo di ricerca hanno ora determinato la natura di questa interazione.

Filtrare con carica

Il team ha anche avuto immediatamente successo nell'ottenere alcune nuove sorprendenti intuizioni. "Siamo stati in grado di dimostrare per la prima volta una correlazione tra il trasferimento di carica - lo spostamento degli elettroni - e la deformazione meccanica nel grafene, " dice Pichler. "Questa osservazione potrebbe essere di grande significato pratico, in quanto significa che la misurazione completamente senza contatto della deformazione interna nei componenti a base di grafene potrebbe essere possibile in futuro".

Il team ha anche ottenuto significativi successi nel controllo mirato dell'ambiente del grafene. Nell'ambito del progetto, è stato possibile controllare per la prima volta a livello atomico l'interfaccia tra grafene e semiconduttori tradizionali come il germanio. Molti considerano questo un passo importante verso la realizzazione di componenti nanoelettronici a base di grafene utilizzabili per la tecnologia dei semiconduttori.

Successo con metodo

Fondamentale per il successo del progetto cooperativo è stata la combinazione ottimale e l'attuazione di due processi. Pichler e il suo team hanno utilizzato le più recenti tecniche di misurazione spettroscopica e le hanno integrate con i cosiddetti calcoli ab-initio, che sono stati eseguiti da un team guidato da Ludger Wirtz dell'Istituto per l'elettronica, Microelettronica e nanotecnologie all'Università di Lille.

Campioni ampi

Il progetto è riuscito a produrre campioni estesi di grafene isolato elettronicamente. Ciò ha fornito un materiale di partenza ottimale per il lavoro sperimentale. "Abbiamo quindi deliberatamente manipolato la struttura elettronica del grafene, "dice Pichler, illustrando l'approccio adottato dal progetto. "Per fare questo, Per esempio, abbiamo sostituito alcuni atomi nel substrato di grafene con atomi di idrogeno o azoto e abbiamo misurato l'impatto di questa sostituzione sul grafene." Un altro approccio adottato da Pichler e dal suo team prevedeva un metodo noto come intercalazione. Con questo metodo, sottilissimi strati di potassio, litio o bario vengono inseriti tra il grafene e il substrato e viene caratterizzato l'impatto risultante sul grafene.

Questi passaggi hanno aperto la strada a molti altri progressi derivanti dal progetto FWF, che sono ancora necessarie per consentire l'uso completo del materiale miracoloso grafene. Molte sfide devono ancora essere superate prima che un "miracoloso" come il grafene possa essere messo in pratica. La ricerca di base svolgerà un ruolo chiave nel superare queste sfide.