Un nuovo metodo progetta nanomateriali con una precisione inferiore a 10 nanometri. Potrebbe aprire la strada a un più veloce, elettronica più efficiente dal punto di vista energetico.

I ricercatori DTU e Graphene Flagship hanno portato l'arte di modellare i nanomateriali a un livello superiore. La modellazione precisa dei materiali 2D è un percorso per il calcolo e l'archiviazione utilizzando materiali 2D, che può fornire prestazioni migliori e un consumo energetico molto inferiore rispetto alla tecnologia odierna.

Una delle scoperte recenti più significative nell'ambito della fisica e della tecnologia dei materiali riguarda i materiali bidimensionali come il grafene. Il grafene è più forte, più liscio, accendino, e meglio di qualsiasi altro materiale conosciuto nel condurre calore ed elettricità.

La loro caratteristica più unica è forse la loro programmabilità. Creando motivi delicati in questi materiali, possiamo cambiare drasticamente le loro proprietà e possibilmente fare esattamente ciò di cui abbiamo bisogno.

A DTU, gli scienziati hanno lavorato per migliorare lo stato dell'arte per più di un decennio nella modellazione di materiali 2D, utilizzando sofisticate macchine litografiche nei 1500 m ² impianto di camera bianca. Il loro lavoro ha sede nel Center for Nanostructured Graphene di DTU, sostenuto dalla Fondazione nazionale danese per la ricerca e una parte di The Graphene Flagship.

Il sistema di litografia a fascio di elettroni in DTU Nanolab può scrivere dettagli fino a 10 nanometri. I calcoli al computer possono prevedere esattamente la forma e la dimensione dei modelli nel grafene per creare nuovi tipi di elettronica. Possono sfruttare la carica dell'elettrone e proprietà quantistiche come i gradi di libertà di spin o di valle, portando a calcoli ad alta velocità con un consumo energetico molto inferiore. Questi calcoli, però, chiedere una risoluzione più alta di quella che anche i migliori sistemi di litografia possono offrire:risoluzione atomica.

"Se vogliamo davvero sbloccare lo scrigno del tesoro per la futura elettronica quantistica, dobbiamo scendere sotto i 10 nanometri e avvicinarci alla scala atomica, " dice professore e capogruppo presso DTU Physics, Peter Boggild.

Ed è esattamente ciò che i ricercatori sono riusciti a fare.

"Nel 2019 abbiamo dimostrato che i fori circolari posizionati con una distanza di soli 12 nanometri trasformano il grafene semimetallico in un semiconduttore. Ora sappiamo come creare fori circolari e altre forme come triangoli, con angoli acuti nanometrici. Tali modelli possono ordinare gli elettroni in base al loro spin e creare componenti essenziali per la spintronica o la valleytronica. La tecnica funziona anche su altri materiali 2D. Con queste strutture piccolissime, possiamo creare metalli molto compatti ed elettricamente sintonizzabili da utilizzare nella comunicazione ad alta velocità e nella biotecnologia, " spiega Peter Bøggild.

Triangolo affilato come un rasoio

La ricerca è stata guidata dalla postdoc Lene Gammelgaard, un laureato in ingegneria di DTU nel 2013 che da allora ha svolto un ruolo vitale nell'esplorazione sperimentale di materiali 2D presso DTU:

"Il trucco è posizionare il nitruro di boro esagonale del nanomateriale sopra il materiale che si desidera modellare. Quindi si praticano dei fori con una particolare ricetta di incisione, "dice Lene Gammelgaard, e continua:

"Il processo di incisione che abbiamo sviluppato negli ultimi anni riduce le dimensioni dei modelli al di sotto del limite altrimenti infrangibile dei nostri sistemi di litografia a fascio di elettroni di circa 10 nanometri. Supponiamo di realizzare un foro circolare con un diametro di 20 nanometri; il foro nel grafene può quindi essere ridimensionato a 10 nanometri, mentre se facciamo un foro triangolare, con i fori tondi provenienti dal sistema litografico, il ridimensionamento creerà un triangolo più piccolo con angoli autoaffilanti. Generalmente, i modelli diventano più imperfetti quando li rimpicciolisci. Questo è il contrario, e questo ci permette di ricreare le strutture che le previsioni teoriche ci dicono essere ottimali".

uno può, per esempio., produrre meta-lenti elettroniche piatte, una specie di lente ottica super compatta che può essere controllata elettricamente a frequenze molto alte, e che secondo Lene Gammelgaard possono diventare componenti essenziali per la tecnologia della comunicazione e la biotecnologia del futuro.

Superare i limiti

L'altra persona chiave è un giovane studente, Dorte Danielsen. Si è interessata alla nanofisica dopo uno stage in prima media nel 2012, ha vinto un posto nella finale di un concorso scientifico nazionale per studenti delle scuole superiori nel 2014, e ha proseguito gli studi in Fisica e Nanotecnologia nell'ambito del programma d'onore di DTU per studenti d'élite.

Spiega che il meccanismo dietro le strutture della "super-risoluzione" non è ancora ben compreso:

"Abbiamo diverse possibili spiegazioni per questo comportamento inaspettato di incisione, ma c'è ancora molto che non capiamo. Ancora, è una tecnica entusiasmante e molto utile per noi. Allo stesso tempo, è una buona notizia per le migliaia di ricercatori in tutto il mondo che spingono i limiti della nanoelettronica 2D e della nanofotonica".

Supportato dal Fondo di ricerca indipendente Danimarca, nell'ambito del progetto METATUNE, Dorte Danielsen continuerà il suo lavoro su nanostrutture estremamente taglienti. Qui, la tecnologia che ha contribuito a sviluppare, sarà utilizzato per creare ed esplorare metalli ottici che possono essere sintonizzati elettricamente.