Mentre i chip per computer basati sul silicio si avvicinano ai limiti fisici nella ricerca di progetti più veloci e più piccoli, la ricerca di materiali alternativi che rimangano funzionali su scala atomica è una delle maggiori sfide della scienza.
Con uno sviluppo rivoluzionario, i ricercatori del Cluster of Excellence di Würzburg-Dresden hanno progettato una pellicola protettiva che protegge gli strati di semiconduttori quantistici spessi solo un atomo dalle influenze ambientali senza compromettere le loro rivoluzionarie proprietà quantistiche. Ciò rende realisticamente possibile l’applicazione di questi delicati strati atomici in componenti elettronici ultrasottili. I risultati sono stati pubblicati su Nature Communications .
La corsa per creare chip per computer sempre più veloci e potenti continua mentre i transistor, i loro componenti fondamentali, si riducono a dimensioni sempre più piccole e compatte. Tra qualche anno, questi transistor misureranno solo pochi atomi e, a quel punto, la miniaturizzazione della tecnologia del silicio attualmente utilizzata avrà raggiunto i suoi limiti fisici. Di conseguenza, la ricerca di materiali alternativi con proprietà completamente nuove è cruciale per i futuri progressi tecnologici.
Nel 2021, gli scienziati del Cluster of Excellence ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter delle università JMU Würzburg e TU Dresden hanno fatto una scoperta significativa:materiali quantistici topologici come l'indenene, che rappresentano una grande promessa per l'elettronica ultraveloce ed efficiente dal punto di vista energetico . I semiconduttori quantistici estremamente sottili risultanti sono composti da un singolo strato di atomi, nel caso dell'indenene, atomi di indio, e agiscono come isolanti topologici, conducendo elettricità praticamente senza resistenza lungo i loro bordi.
"La produzione di un tale strato atomico singolo richiede sofisticate apparecchiature per il vuoto e un materiale di substrato specifico. Per utilizzare questo materiale bidimensionale nei componenti elettronici, dovrebbe essere rimosso dall'ambiente del vuoto. Tuttavia, l'esposizione all'aria, anche brevemente, porta a ossidazione, distruggendo le sue proprietà rivoluzionarie e rendendolo inutilizzabile," spiega il fisico sperimentale Professor Ralph Claessen, portavoce di ct.qmat a Würzburg.
"Abbiamo dedicato due anni alla ricerca di un metodo per proteggere il sensibile strato di indenene dagli elementi ambientali utilizzando un rivestimento protettivo. La sfida era garantire che questo rivestimento non interagisse con lo strato di indenene", spiega Cedric Schmitt, uno dei dottorandi di Claessen coinvolto nel progetto il progetto.
Questa interazione è problematica perché quando diversi tipi di atomi, ad esempio quelli dello strato protettivo e del semiconduttore, si incontrano, reagiscono chimicamente a livello atomico, modificando il materiale. Questo non è un problema con i chip di silicio convenzionali, che comprendono più strati atomici, lasciando un numero sufficiente di strati inalterati e quindi ancora funzionanti.
"Un materiale semiconduttore costituito da un singolo strato atomico come l'indenene verrebbe normalmente compromesso da una pellicola protettiva. Ciò ha rappresentato una sfida apparentemente insormontabile che ha stuzzicato la nostra curiosità di ricerca", afferma Claessen. La ricerca di uno strato protettivo vitale li ha portati a esplorare i materiali di van der Waals, che prendono il nome dal fisico olandese Johannes Diderik van der Waals (1837-1923).
Claessen spiega:"Questi strati atomici di van der Waals bidimensionali sono caratterizzati da forti legami interni tra i loro atomi, mentre si legano solo debolmente al substrato. Questo concetto è simile a come la mina di una matita è fatta di grafite, una forma di carbonio con atomi disposti in strati a nido d'ape:scrive su carta. Gli strati di grafene possono essere facilmente separati. Il nostro obiettivo era replicare questa caratteristica."
Utilizzando sofisticate apparecchiature per vuoto ultra spinto, il team di Würzburg ha sperimentato il riscaldamento del carburo di silicio (SiC) come substrato per l'indenene, esplorando le condizioni necessarie per formare grafene da esso. "Il carburo di silicio è costituito da atomi di silicio e carbonio. Il riscaldamento fa sì che gli atomi di carbonio si distacchino dalla superficie e formino grafene", afferma Schmitt. "Abbiamo quindi depositato atomi di indio tramite vapore, che sono immersi tra lo strato protettivo di grafene e il substrato di carburo di silicio. Ecco come si è formato lo strato protettivo per il nostro materiale quantistico bidimensionale indenene."
Per la prima volta a livello globale, Claessen e il suo team presso la filiale di Würzburg di ct.qmat hanno realizzato con successo uno strato protettivo funzionale per un materiale semiconduttore quantistico bidimensionale senza comprometterne le straordinarie proprietà quantistiche. Dopo aver analizzato il processo di fabbricazione, hanno testato approfonditamente le capacità protettive dello strato contro l'ossidazione e la corrosione. "Funziona! Il campione può anche essere esposto all'acqua senza che venga intaccato in alcun modo", afferma soddisfatto Claessen. "Lo strato di grafene agisce come un ombrello per il nostro indenene."
Questa innovazione apre la strada ad applicazioni che coinvolgono strati atomici di semiconduttori altamente sensibili. La produzione di componenti elettronici ultrasottili richiede che vengano elaborati in aria o in altri ambienti chimici. Ciò è stato reso possibile grazie alla scoperta di questo meccanismo protettivo.
Il team di Würzburg è ora concentrato sull’identificazione di altri materiali van der Waals che possano fungere da strati protettivi e ha già in mente alcune prospettive. Il problema è che, nonostante l’efficace protezione del grafene dei monostrati atomici dai fattori ambientali, la sua conduttività elettrica comporta il rischio di cortocircuiti. Gli scienziati di Würzburg stanno lavorando per superare queste sfide e creare le condizioni per l'elettronica dello strato atomico di domani.
Ulteriori informazioni: Cedric Schmitt et al, Raggiungere la stabilità ambientale in un isolante Hall a spin quantico atomicamente sottile tramite intercalazione di grafene, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45816-9
Fornito da Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat
