Da più di 50 anni, i produttori di chip al silicio hanno escogitato modi inventivi per accendere e spegnere l'elettricità, generando gli uni e gli zeri digitali che codificano le parole, immagini, film e altre forme di dati.

Ma mentre i ricercatori pensano all'elettronica per i prossimi 50 anni, hanno iniziato a guardare oltre il silicio a nuovi tipi di materiali che si trovano in strati singoli di soli tre atomi di spessore – molto più sottili dei moderni chip di silicio – ma sono in grado di controllare l'elettricità in modo più efficiente per creare quegli uno e zero digitali.

Ora un team guidato dal professore associato di ingegneria elettrica di Stanford, Eric Pop, ha dimostrato come potrebbe essere possibile produrre in serie materiali ed elettronica così atomicamente sottili. Perché questo sarebbe utile? Poiché materiali così sottili sarebbero anche trasparenti e flessibili, in modi che consentirebbero dispositivi elettronici che non sarebbe possibile realizzare con il silicio.

"E se la tua finestra fosse anche una televisione, o potresti avere un display heads-up sul parabrezza della tua auto?" chiese Kirby Smithe, uno studente laureato nella squadra di Pop, suggerendo applicazioni elettroniche che i nuovi materiali potrebbero rendere possibili.

Smith, Pop e coautori Chris English e Saurabh Suryavanshi, entrambi studenti laureati nel laboratorio di Pop, hanno descritto il loro lavoro sulla rivista 2D Materials, che è dedicato alla ricerca su atomicamente sottile, dispositivi bidimensionali.

Teoria in realtà

L'obiettivo del team era sviluppare un processo di produzione per trasformare i chip a strato singolo in realtà pratiche. Il primo materiale atomicamente sottile è stato misurato nel 2004 quando gli scienziati hanno osservato che il grafene, un materiale correlato al "piombo" delle matite, poteva essere isolato in strati dello spessore di un singolo atomo di carbonio. Gli scienziati che hanno fatto questa scoperta hanno condiviso il Premio Nobel per la Fisica 2010.

Ma il processo utilizzato per fare quella scoperta - gli scienziati hanno sollevato strati di grafene da una roccia usando del nastro adesivo - non è servito a trasformare i cristalli ultrasottili in elettronica di prossima generazione.

Sulla scia della scoperta del grafene, gli ingegneri hanno intrapreso una ricerca per trovare materiali simili e, ma ancora più importante, modi pratici per modellare interruttori atomicamente sottili in circuiti.

È sulla questione della producibilità che i membri del team di Stanford hanno fatto un grande passo avanti. Hanno iniziato con un singolo strato di materiale chiamato bisolfuro di molibdeno. Il nome descrive la sua struttura a sandwich:un foglio di atomi di molibdeno tra due strati di zolfo. Ricerche precedenti avevano dimostrato che il bisolfuro di molibdeno ha fatto un buon cambiamento, controllare l'elettricità per creare uno e zero digitali.

Ingrandimento

La domanda era se il team potesse produrre un cristallo di bisolfuro di molibdeno abbastanza grande da formare un chip. Ciò richiede la costruzione di un cristallo all'incirca delle dimensioni della tua miniatura. Questo potrebbe non sembrare un grosso problema finché non consideri le proporzioni del cristallo richieste:un chip spesso solo tre atomi ma la dimensione della tua miniatura è come un singolo foglio di carta abbastanza grande da coprire l'intero campus di Stanford.

Il team di Stanford ha prodotto quel foglio depositando tre strati di atomi in una struttura cristallina 25 milioni di volte più larga del suo spessore. Smithe ha raggiunto questo obiettivo apportando ingegnosi perfezionamenti a un processo di produzione chiamato deposizione chimica da vapore. Questo approccio essenzialmente incenerisce piccole quantità di zolfo e molibdeno fino a quando gli atomi non vaporizzano come fuliggine. Gli atomi quindi si depositano come uno strato cristallino ultrasottile su un substrato "manico", che può essere di vetro o anche di silicio.

Però, il lavoro dei ricercatori non è stato fatto. Dovevano ancora modellare il materiale in interruttori elettrici e capire il loro funzionamento. Per questo, hanno fatto uso di un recente progresso guidato dall'inglese, che hanno scoperto che condizioni di deposizione estremamente pulite sono essenziali per formare buoni contatti metallici con gli strati di bisolfuro di molibdeno. La ricchezza di nuovi dati sperimentali ora disponibili in laboratorio ha anche permesso a Suryavanshi di creare modelli computerizzati accurati dei nuovi materiali e di iniziare a prevedere il loro comportamento collettivo come componenti del circuito.

"Abbiamo molto lavoro da fare per ridimensionare questo processo in circuiti con scale più grandi e prestazioni migliori, " Pop ha detto. "Ma ora abbiamo tutti i mattoni."

Incisione degli interruttori

Durante la produzione di chip, i circuiti devono essere incisi nel materiale. Per dimostrare come un grande il processo di produzione di chip a strato singolo potrebbe eseguire questo passaggio in futuro, il team ha utilizzato strumenti di incisione standard per tagliare il logo di Stanford nel prototipo. Poi, divertirsi un po' con un progetto che hanno portato a termine durante una campagna elettorale nazionale, hanno scolpito ritratti su nanoscala dei due principali candidati del partito nella loro tela atomicamente sottile.

Pop ha detto che il team di Stanford è stato ispirato a farlo da ricercatori che hanno fatto qualcosa di simile durante il ciclo elettorale del 2008, quando hanno creato "nanobama" - minuscole immagini dell'allora presidente eletto Barack Obama usando nanotubi di carbonio. I nanotubi sono un'altra potenziale tecnologia di chip di prossima generazione; i ricercatori di quel progetto hanno usato nanobama come un modo per richiamare l'attenzione sulla capacità dei tecnologi di fabbricare oggetti che sono quasi inimmaginabilmente minuscoli.

"Molte persone sono interessate all'elettronica perché la tecnologia è utile, " Pop ha detto. "Ma speriamo che nanotrump e nanoclinton possano ampliare l'interesse per la ricerca. Forse vedere ritratti incisi su una tela spessa tre atomi ispirerà i futuri ricercatori in modi che non possiamo nemmeno immaginare ancora".