I transistor basati sul carbonio anziché sul silicio potrebbero potenzialmente aumentare la velocità dei computer e ridurre il consumo di energia di oltre mille volte (si pensi a un telefono cellulare che mantiene la carica per mesi), ma il set di strumenti necessari per costruire circuiti in carbonio funzionanti è rimasto incompleto fino a quando Ora.

Un team di chimici e fisici dell'Università della California, Berkeley, ha finalmente creato l'ultimo strumento nella casella degli strumenti, un filo metallico realizzato interamente in carbonio, ponendo le basi per un'accelerazione della ricerca per costruire transistor a base di carbonio e, in definitiva, computer.

"Rimanendo all'interno dello stesso materiale, nel campo dei materiali a base di carbonio, è ciò che unisce questa tecnologia ora, " ha detto Felix Fischer, Professore di chimica all'Università di Berkeley, notando che la capacità di realizzare tutti gli elementi del circuito dallo stesso materiale facilita la fabbricazione. "Questa è stata una delle cose chiave che mancava nel quadro generale di un'architettura di circuiti integrati interamente basata sul carbonio".

I fili metallici, come i canali metallici utilizzati per collegare i transistor in un chip per computer, trasportano l'elettricità da un dispositivo all'altro e interconnettono gli elementi semiconduttori all'interno dei transistor, gli elementi costitutivi dei computer.

Il gruppo UC Berkeley lavora da diversi anni su come realizzare semiconduttori e isolanti da nanonastri di grafene, che sono stretti, strisce unidimensionali di grafene dello spessore di un atomo, una struttura composta interamente da atomi di carbonio disposti in uno schema esagonale interconnesso che ricorda il filo di pollo.

Il nuovo metallo a base di carbonio è anche un nanonastro di grafene, ma progettato con un occhio alla conduzione di elettroni tra nanonastri semiconduttori in transistor interamente in carbonio. I nanonastri metallici sono stati costruiti assemblandoli da blocchi di costruzione identici più piccoli:un approccio dal basso verso l'alto, disse il collega di Fischer, Michael Cromie, un professore di fisica dell'Università di Berkeley. Ogni elemento costitutivo fornisce un elettrone che può fluire liberamente lungo il nanonastro.

Mentre altri materiali a base di carbonio, come fogli 2-D estesi di grafene e nanotubi di carbonio, possono essere metallici, hanno i loro problemi. Rimodellare un foglio 2-D di grafene in strisce su scala nanometrica, Per esempio, li trasforma spontaneamente in semiconduttori, o anche isolanti. Nanotubi di carbonio, che sono ottimi conduttori, non possono essere preparati con la stessa precisione e riproducibilità in grandi quantità dei nanonastri.

"I nanoribbon ci consentono di accedere chimicamente a un'ampia gamma di strutture utilizzando la fabbricazione dal basso verso l'alto, qualcosa non ancora possibile con i nanotubi, " Ha detto Crommie. "Questo ci ha permesso di cucire insieme gli elettroni per creare un nanonastro metallico, qualcosa di mai fatto prima. Questa è una delle grandi sfide nell'area della tecnologia dei nanonastri di grafene e il motivo per cui ne siamo così entusiasti".

Nanonastri metallici di grafene, caratterizzati da un ampio, banda elettronica parzialmente riempita caratteristica dei metalli, dovrebbe essere paragonabile in conduttanza allo stesso grafene 2-D.

"Pensiamo che i fili metallici siano davvero una svolta; è la prima volta che possiamo creare intenzionalmente un conduttore metallico ultra-sottile, un buon conduttore intrinseco, in materiali a base di carbonio, senza bisogno di doping esterno, " ha aggiunto Fischer.

Crommia, Fischer e i loro colleghi dell'UC Berkeley e del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) pubblicheranno i loro risultati nel numero del 25 settembre della rivista Scienza .

Modificando la topologia

I circuiti integrati a base di silicio hanno alimentato i computer per decenni con velocità e prestazioni sempre crescenti, per la legge di Moore, ma stanno raggiungendo il limite di velocità, cioè quanto velocemente possono passare da zero a uno. Sta anche diventando più difficile ridurre il consumo di energia; i computer utilizzano già una parte sostanziale della produzione mondiale di energia. I computer a base di carbonio potrebbero potenzialmente cambiare molte volte più velocemente dei computer al silicio e utilizzare solo frazioni della potenza, ha detto Fischer.

Grafene, che è carbonio puro, è uno dei principali contendenti per questi di nuova generazione, computer a base di carbonio. Strisce strette di grafene sono principalmente semiconduttori, però, e la sfida è stata farli funzionare anche come isolanti e metalli, estremi opposti, totalmente non conduttivo e completamente conduttivo, rispettivamente, in modo da costruire transistor e processori interamente in carbonio.

Diversi anni fa, Fischer e Crommie hanno collaborato con lo scienziato dei materiali teorici Steven Louie, un professore di fisica dell'Università di Berkeley, scoprire nuovi modi di collegare piccole lunghezze di nanonastro per creare in modo affidabile l'intera gamma di proprietà conduttive.

Due anni fa, il team ha dimostrato che collegando brevi segmenti di nanonastro nel modo giusto, gli elettroni in ogni segmento potrebbero essere organizzati per creare un nuovo stato topologico, una speciale funzione d'onda quantistica, che porta a proprietà semiconduttive sintonizzabili.

Nel nuovo lavoro, usano una tecnica simile per cucire insieme brevi segmenti di nanonastri per creare un filo metallico conduttore lungo decine di nanometri e largo appena un nanometro.

I nanonastri sono stati creati chimicamente e ripresi su superfici molto piatte utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel. Il semplice calore è stato utilizzato per indurre le molecole a reagire chimicamente e ad unirsi tra loro nel modo giusto. Fischer paragona l'assemblaggio di blocchi da costruzione collegati a margherita a un set di Lego, ma i Lego progettati per adattarsi alla scala atomica.

"Sono tutti progettati con precisione in modo che ci sia un solo modo in cui possono stare insieme. È come se prendessi una borsa di Lego, e tu lo scuoti, e fuori arriva un'auto completamente assemblata, " ha detto. "Questa è la magia di controllare l'autoassemblaggio con la chimica."

Una volta assemblato, lo stato elettronico del nuovo nanonastro era un metallo, proprio come aveva previsto Louie, con ogni segmento che forniva un singolo elettrone conduttore.

La svolta finale può essere attribuita a un minimo cambiamento nella struttura del nanonastro.

"Usando la chimica, abbiamo creato un piccolo cambiamento, un cambiamento in un solo legame chimico ogni 100 atomi circa, ma che ha aumentato la metallicità del nanonastro di un fattore 20, e questo è importante, dal punto di vista pratico, per renderlo un buon metallo, " Disse Cromi.

I due ricercatori stanno lavorando con ingegneri elettrici all'Università di Berkeley per assemblare la loro cassetta degli attrezzi di semiconduttori, nanonastri isolanti e metallici di grafene in transistor funzionanti.

"Credo che questa tecnologia rivoluzionerà il modo in cui costruiremo circuiti integrati in futuro, " Ha detto Fischer. "Ci dovrebbe portare un grande passo avanti rispetto alle migliori prestazioni che ci si può aspettare dal silicio in questo momento. Ora abbiamo un percorso per accedere a velocità di commutazione più elevate con un consumo energetico molto inferiore. Questo è ciò che sta guidando la spinta verso un'industria dei semiconduttori elettronici a base di carbonio in futuro".