Nuovo materiale semi- conduttore promette transistor a basso consumo, meglio del grafene

Questo modello di transistor mostra come la molibdenite può essere integrata in un transistor. Crediti: EPFL

Microchip più piccoli e a minor consumo energetico potranno presto vedere la luce attraverso l’uso di una nuova tecnica che usa la molibdenite, un materiale sviluppato in Svizzera.In un articolo apparso online il 30 gennaio sulla rivista Nature Nanotechnology, Il Laboratorio dell’EPFL di elettronica e delle strutture su nanoscala (LANES) pubblica uno studio che dimostra che questo materiale presenta evidenti vantaggi rispetto al silicio tradizionale o al grafene per l’utilizzo in applicazioni elettroniche.

Una scoperta fatta al Politecnico di Losanna potrebbe svolgere un ruolo importante nel campo dell’elettronica, che ci permette di fare transistor più piccoli ed efficienti. La  ricerca ha rivelato che la molibdenite, o MoS2, è un semiconduttore molto efficace. Questo minerale, che è abbondante in natura, è spesso usato come un elemento in leghe di acciaio o come additivo nei lubrificanti. Ma non era ancora stato ampiamente studiato per l’impiego in elettronica.

100.000 volte meno energia

“E’ un materiale bidimensionale, molto sottile e facile da usare nel campo delle nanotecnologie. Ha un grande potenziale nella fabbricazione di transistor, diodi emettitori di luce (LED) e celle solari estremamente miniaturizzati”, spiega il professor Andras Kis dell’EPFL, con cui i colleghi M. Radisavljevic, Prof. Radenovic e M. Brivio di LANES hanno lavorato nello studio. Kis paragona i vantaggi di questo materiale con altri noti materiali: il silicio, attualmente il principale componente usato nei chip elettronici e informatici, e il grafene, la cui scoperta nel 2004 ha fatto guadagnare ai fisici André Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester il premio Nobel 2010 per la Fisica.

Uno dei vantaggi della molibdenite è che è meno voluminosa rispetto al silicio, che è un materiale tridimensionale. “In un foglio di 0,65 nanometri di spessore di MoS2, gli elettroni possono muoversi facilmente come in un foglio di 2 nanometri di spessore di  silicio”, spiega Kis. “Ma, in ogni caso, al momento non è possibile fabbricare un foglio di silicio sottile come un foglio monostrato di MoS2”. Un altro vantaggio della molibdenite è che può essere usata per fare transistor che consumano 100.000 volte meno energia in standby di un transistor tradizionale di silicio. Per fare un transistor, ossia un minuscolo interruttore, occorre usare un materiale chiamato semiconduttore (*), che può funzionare sia come isolante che come conduttore di corrente e che permette al transistor di essere acceso o spento, e il gap della molibdenite di 1,8 eV (elettronvolt)  è l’ideale per questo scopo.

Meglio del grafene

Nella fisica dello stato solido, la teoria delle bande è un modo per rappresentare l’energia degli elettroni in un determinato materiale. Nei semiconduttori, esistono degli spazi liberi da elettroni tra due bande di conduzione, chiamati gap. Se questo spazio, o gap,  non è troppo piccolo o troppo grande, gli elettroni possono superarlo con un certa facilità, se sollecitati in qualche modo. Si offre così un maggiore livello di controllo sul comportamento elettrico del transistor, che può essere acceso e spento facilmente.

L’esistenza di questo divario nella molibdenite dà anche un vantaggio rispetto al grafene. Considerato oggi da molti scienziati come il materiale dell’elettronica del futuro, il grafene, un “semi-metallo”, non ha lacune, ed è molto difficile riprodurne artificialmente una nel materiale.

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(*) I semiconduttori sono elementi chimici in cui la banda di valenza è completamente occupata (caratteristica degli isolanti), ma a differenza degli isolanti, il gap di energia tra questa banda e quella di conduzione è molto più piccolo, dell’ordine o minore di 1eV. Ciò rende più facile eccitare gli elettroni di valenza e portarli alla banda di conduzione.