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14 luglio 2017

Nanotubi di carbonio diventano transistor

Nanotubi di carbonio possono essere autoassemblanti in minuscoli transistor. È il risultato di una ricerca svolta da Maria Antonietta Loi, docente di Fotofisica e Optoelettronica presso l’Università di Groningen, in collaborazione con l’Università di Wuppertal e con IBM Zurich. 



I nanotubi di carbonio possono essere utilizzati per costruire dispositivi elettronici di dimensioni estremamente ridotte, ma sono difficili di manipolare. Gli scienziati dell’Università di Groningen, in collaborazione con i colleghi dell’Università di Wuppertal e con IBM Zurich, hanno sviluppato un metodo per selezionare nanotubi semiconduttori da una soluzione, e per fare in modo che si assemblino autonomamente su un circuito di elettrodi in oro. 
Il risultato può sembrare ingannevolmente semplice, ma ha richiesto dieci anni di duro lavoro: un transistor autoassemblato, puro pressoché al 100% e con elettroni molto mobili. Maria Antonietta Loi, docente di Fotofisica e Optoelettronica presso l’Università di Groningen, ha progettato dei polimeri in grado di avvolgersi autonomamente attorno a nanotubi di carbonio selezionati all’interno di una soluzione di nanotubi misti. Le catene laterali tioliche presenti sul polimero, successivamente, legano i nanotubi agli elettrodi dorati, creando un transistor.
“Nel lavoro svolto in precedenza, abbiamo imparato molto su come i polimeri siano in grado di combinarsi con specifici nanotubi di carbonio”, afferma Loi. Si possono immaginare questi nanotubi come un foglio arrotolato di grafene, la versione bidimensionale del carbonio. “In base al modo in cui questi fogli si arrotolano, acquisiscono proprietà diverse, generando nanotubi semiconduttori, semi-metallici o metallici”. 
Nonostante il processo di produzione dia sempre e comunque origine a un mix di queste tipologie, solo i nanotubi semiconduttori possono essere utilizzati per creare transistor.

Il brevetto
“Qualche tempo fa, abbiamo avuto l’idea di utilizzare i polimeri con catene laterali tioliche”, spiega Loi. L’idea si basava sul fatto che lo zolfo, il quale tende a legarsi ai metalli, avrebbe orientato i nanotubi avvolti nel polimero verso gli elettrodi in oro. Mentre Loi era al lavoro sulla questione, IBM ha addirittura brevettato il concetto. “Tuttavia, il lavoro svolto da IBM presentava un grosso problema: i polimeri contenenti tioli si legavano anche ai nanotubi metallici, includendoli nei transistor e rovinandoli”.
La soluzione proposta da Loi consisteva nel ridurre la concentrazione di tioli nei polimeri, avvalendosi dell’aiuto degli specialisti in chimica dei polimeri dell’Università di Wuppertal. “Ciò che ora siamo riusciti a dimostrare è che questo concetto dell’assemblaggio inverso funziona: utilizzando polimeri con una concentrazione ridotta di tioli, siamo in grado di selezionare i nanotubi semiconduttori e spostarli da una soluzione a un circuito”. Il legame zolfo-oro è resistente, e determina pertanto un’adesione salda dei nanotubi, abbastanza da impedirne lo spostamento durante la sonicazione dei transistor in solventi organici. 

Produzione economica
Il processo di fabbricazione è semplice: le strutture metalliche vengono depositate su un substrato, che successivamente viene immerso in una soluzione contenente nanotubi di carbonio. Gli elettrodi sono distanziati in maniera tale da ottenere un allineamento ottimale: “I nanotubi sono lunghi circa 500 nanometri, di conseguenza abbiamo posizionato gli elettrodi destinati ai transistor a intervalli di 300 nanometri. Il transistor successivo, poi, si trova a più di 500 nanometri di distanza”. Questo distanziamento limita la concentrazione dei transistor, ma Loi confida nella possibilità di incrementarla ricorrendo all’ingegneria avanzata.
“Nel corso degli ultimi anni, abbiamo creato una libreria di polimeri in grado di selezionare i nanotubi semiconduttori, e abbiamo approfondito la comprensione degli effetti prodotti dalla struttura e composizione dei polimeri sui nanotubi di carbonio da essi selezionati”, dichiara Loi. Ne risulta un metodo di produzione economico e scalabile per la realizzazione di componenti elettronici basati sui nanotubi. Dunque, quale futuro attende questa tecnologia? Loi risponde: “È difficile prevedere se l’industria svilupperà questa idea, ma stiamo lavorando per migliorarla e prepararla a un futuro lancio sul mercato”. 

Applicazioni
Materiali