Il grafene è emerso come uno dei cristalli bidimensionali più promettenti, ma il futuro dell'elettronica potrebbe includere altri due nanomateriali, secondo un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Università della California, Riverside e l'Università della Georgia.

Nella ricerca pubblicata lunedì (4 luglio) sulla rivista Nanotecnologia della natura , i ricercatori hanno descritto l'integrazione di tre materiali bidimensionali (2D) molto diversi per ottenere un semplice, compatto, e dispositivo oscillatore controllato in tensione veloce (VCO). Un VCO è un oscillatore elettronico la cui frequenza di oscillazione è controllata da un ingresso di tensione.

Intitolato "Un oscillatore integrato di solfuro di tantalio-nitruro di boro-grafene:un dispositivo a onda di densità di carica che funziona a temperatura ambiente, " il documento descrive lo sviluppo del primo dispositivo utile che sfrutta il potenziale delle onde di carica-densità per modulare una corrente elettrica attraverso un materiale 2D. La nuova tecnologia potrebbe diventare un'alternativa a bassissima potenza ai dispositivi convenzionali a base di silicio, che vengono utilizzati in migliaia di applicazioni, dai computer agli orologi alle radio. il sottile, la natura flessibile del dispositivo lo renderebbe ideale per l'uso nelle tecnologie indossabili.

Grafene, un singolo strato di atomi di carbonio che esibisce conducibilità elettriche e termiche eccezionali, si mostra promettente come successore dei transistor a base di silicio. Però, la sua applicazione è stata limitata dalla sua incapacità di funzionare come un semiconduttore, che è fondamentale per le operazioni di commutazione 'on-off' eseguite dai componenti elettronici.

Per superare questa carenza, i ricercatori si sono rivolti a un altro nanomateriale 2D, Solfuro di tantalio (TaS2). Hanno dimostrato che i cambiamenti indotti dalla tensione nella struttura atomica del "prototipo 1T" di TaS2 gli consentono di funzionare come un interruttore elettrico a temperatura ambiente, un requisito per le applicazioni pratiche.

"Esistono molti materiali per onde a densità di carica che hanno interessanti proprietà di commutazione elettrica. Tuttavia, la maggior parte di essi rivela queste proprietà solo a temperature molto basse. Il particolare politipo di TaS2 che abbiamo utilizzato può avere brusche variazioni di resistenza al di sopra della temperatura ambiente. Ciò ha fatto una differenza cruciale, " ha detto Alexander Balandin, Professore della cattedra presidenziale UC di ingegneria elettrica e informatica presso il Bourns College of Engineering dell'UCR, che ha guidato il gruppo di ricerca.

Per proteggere il TaS2 dai danni ambientali, i ricercatori lo hanno rivestito con un altro materiale 2D, nitrato di boro esagonale, per prevenire l'ossidazione. Accoppiando il TaS2 ricoperto di nitruro di boro con il grafene, il team ha costruito un VCO a tre strati che potrebbe aprire la strada all'elettronica post-silicio. Nel disegno proposto, il grafene funziona come un resistore di carico sintonizzabile integrato, che consente un controllo preciso della tensione della corrente e della frequenza VCO. Il prototipo di dispositivi UCR operava alla frequenza MHz utilizzata nelle radio, e i processi fisici estremamente veloci che definiscono la funzionalità del dispositivo consentono alla frequenza operativa di aumentare fino a THz.

Balandin ha affermato che il sistema integrato è il primo esempio di un dispositivo oscillatore controllato in tensione funzionale comprendente materiali 2D che opera a temperatura ambiente.

"È difficile competere con il silicio, che è stato utilizzato e migliorato negli ultimi 50 anni. Però, crediamo che il nostro dispositivo mostri un'integrazione unica di tre materiali 2D molto diversi, che utilizza le proprietà intrinseche di ciascuno di questi materiali. Il dispositivo può potenzialmente diventare un'alternativa a bassa potenza alle tradizionali tecnologie al silicio in molte applicazioni diverse, " ha detto Balandin.

La funzione elettronica del grafene prevista nel dispositivo 2D proposto supera il problema associato all'assenza del gap di banda di energia, che finora ha impedito l'uso del grafene come materiale del canale del transistor. L'altissima conduttività termica del grafene rappresenta un ulteriore vantaggio nella struttura del dispositivo, facilitando la rimozione del calore. Le proprietà uniche di conduzione del calore del grafene sono state scoperte sperimentalmente e spiegate teoricamente nel 2008 dal gruppo di Balandin all'UCR. La Materials Research Society ha riconosciuto questo risultato rivoluzionario assegnando a Balandin la medaglia MRS nel 2013.

Il gruppo Balandin ha anche dimostrato i primi diffusori di calore integrati in grafene per transistor ad alta potenza e diodi emettitori di luce. "In quelle applicazioni, il grafene è stato utilizzato esclusivamente come materiale conduttore di calore. La sua conduttività termica era la proprietà principale. Nel presente dispositivo, utilizziamo sia la conduttività elettrica che termica del grafene, " ha aggiunto Balandin.