Un diagramma atomico schematico di un pozzo quantistico costituito da strati di carbonio amorfo. Gli atomi blu rappresentano il carbonio amorfo con un'alta percentuale di carbonio simile al diamante. Gli atomi marrone rappresentano il carbonio amorfo che è simile alla grafite. Le regioni simili al diamante hanno un alto potenziale (il diamante è isolante) mentre le regioni simili alla grafite sono più metalliche. Questo crea un pozzo quantico poiché gli elettroni sono confinati all'interno della regione simile alla grafite a causa del potenziale relativamente alto nelle regioni simili al diamante. I superreticoli sono costituiti da una serie di pozzi quantici. Credito:Wits University
I ricercatori del Nanoscale Transport Physics Laboratory della School of Physics dell'Università del Witwatersrand hanno trovato una tecnica per migliorare i superreticoli di carbonio per applicazioni di dispositivi elettronici quantistici. I superreticoli sono costituiti da strati alternati di semiconduttori molto sottili, spessore di pochi nanometri. Questi strati sono così sottili che la fisica di questi dispositivi è governata dalla meccanica quantistica, dove gli elettroni si comportano come onde. In un cambio di paradigma dai dispositivi elettronici convenzionali, sfruttare le proprietà quantistiche dei superreticoli mantiene la promessa di sviluppare nuove tecnologie.
Il gruppo, guidato dal professor Somnath Bhattacharyya ha lavorato negli ultimi 10 anni allo sviluppo di dispositivi nanoelettronici a base di carbonio.
"Il carbonio è il futuro nel campo dell'elettronica e presto sfiderà molti altri semiconduttori, compreso il silicio, " dice Bhattacharyya.
La fisica dei superreticoli di carbonio è più complessa di quella dei superreticoli cristallini (come l'arseniuro di gallio), poiché il materiale è amorfo e gli atomi di carbonio tendono a formare catene e reti. Il gruppo Wits, in associazione con ricercatori dell'Università del Surrey nel Regno Unito, ha sviluppato un approccio teorico dettagliato per comprendere i dati sperimentali ottenuti dai dispositivi al carbonio. Il documento è stato pubblicato in Rapporti scientifici il 19 ottobre.
"Questo lavoro fornisce una comprensione delle proprietà quantistiche fondamentali dei superreticoli di carbonio, che ora possiamo usare per progettare dispositivi quantistici per applicazioni specifiche, "dice l'autore principale, Studente di dottorato di ricerca, Ross McIntosh. "Il nostro lavoro fornisce un forte impulso per studi futuri sulle proprietà elettroniche e optoelettroniche ad alta frequenza dei superreticoli di carbonio".
Attraverso il loro lavoro, il gruppo ha riportato uno dei primi modelli teorici in grado di spiegare le fondamentali proprietà di trasporto elettronico nei superreticoli di carbonio disordinati.
Bhattacharyya ha iniziato a studiare l'uso del carbonio per le applicazioni dei semiconduttori quasi 10 anni fa, prima di entrare a far parte della Wits University, quando lui e i coautori dell'Università del Surrey hanno sviluppato e dimostrato una resistenza differenziale negativa e eccellenti proprietà ad alta frequenza di un dispositivo quantistico costituito da strati di carbonio amorfo. Questo lavoro è stato pubblicato in Materiali della natura nel 2006.
Un diagramma atomico schematico di un pozzo quantistico costituito da strati di carbonio amorfo. Gli atomi blu rappresentano il carbonio amorfo con un'alta percentuale di carbonio simile al diamante. Gli atomi marrone rappresentano il carbonio amorfo che è simile alla grafite. Le regioni simili al diamante hanno un alto potenziale (il diamante è isolante) mentre le regioni simili alla grafite sono più metalliche. Questo crea un pozzo quantico poiché gli elettroni sono confinati all'interno della regione simile alla grafite a causa del potenziale relativamente alto nelle regioni simili al diamante. Le catene marroni attraverso le regioni a forma di diamante rappresentano catene polimeriche, una caratteristica che è unica per i superreticoli di carbonio. I superreticoli sono costituiti da una serie di pozzi quantici. Gli atomi verdi rappresentano le impurità dell'azoto. Credito:Wits University
McIntosh ha colto l'opportunità a livello onorifico di misurare le proprietà elettriche dei dispositivi a superreticolo di carbonio. Ora, come studente di dottorato e avendo lavorato a lungo con il teorico Dr. Mikhail V. Katkov, ha ampliato il quadro teorico e sviluppato una tecnica per calcolare le proprietà di trasporto di questi dispositivi.
Bhattacharyya crede che questo lavoro avrà un'importanza immensa nello sviluppo di dispositivi ad alta frequenza a base di carbonio.
"Aprirà non solo studi fondamentali sui materiali di carbonio, ma avrà anche applicazioni industriali nel settore dei dispositivi elettronici e optoelettronici, " lui dice.
I superreticoli sono attualmente utilizzati come oscillatori e amplificatori ad alta frequenza all'avanguardia e stanno iniziando a trovare impiego nell'optoelettronica come rivelatori ed emettitori nel regime dei terahertz. Mentre le proprietà elettriche e optoelettroniche ad alta frequenza dei semiconduttori convenzionali sono limitate dai droganti utilizzati per modificare le loro proprietà elettroniche, le proprietà dei superreticoli possono essere sintonizzate su una gamma molto più ampia per creare dispositivi che operano in regimi in cui i dispositivi convenzionali non possono.
I dispositivi elettronici Superlattice possono funzionare a frequenze più elevate e i dispositivi optoelettronici possono funzionare a frequenze più basse rispetto alle loro controparti convenzionali. La mancanza di emettitori e rivelatori terahertz ha portato a una lacuna in quella regione dello spettro elettromagnetico (nota come "gap terahertz"), che è un limite significativo, quante molecole biologiche sono attive in questo regime. Questo limita anche la radioastronomia terahertz.
I dispositivi Amorphous Carbon sono estremamente resistenti, può funzionare ad alta tensione e può essere sviluppato nella maggior parte dei laboratori nel mondo, senza sofisticate strutture di nanofabbricazione. Nuovi dispositivi a base di carbonio potrebbero trovare applicazione in biologia, tecnologia spaziale, infrastrutture scientifiche come il telescopio Square Kilometer Array (SKA) in Sudafrica, e nuovi rilevatori di microonde.
"Ciò che mancava prima era la comprensione della modellazione dei dispositivi. Se abbiamo un modello, possiamo migliorare la qualità del dispositivo, ed è quello che abbiamo ora, "dice Bhattacharyya.
