Gli scienziati IBM hanno dimostrato un nuovo approccio allo sviluppo di chip basati su transistor ai nanotubi al carbonio. Il processo è compatibile con gli standard di produzione odierni e ha lo scopo di gettare le basi per la realizzazione di chip sempre più piccoli, veloci e potenti, andando oltre quelli che sono i limiti noti della tecnologia al silicio.
Il silicio molto presto non sarà più in grado di assicurare i miglioramenti prestazionali, di costi e consumi a cui siamo abituati e i nanotubi al carbonio rappresentano una nuova classe di semiconduttori che potrebbe raccoglierne l'eredità: hanno proprietà elettriche migliori (gli elettroni si spostano più velocemente) e una forma ideale per la realizzazione di transistor in scala atomica.
I nanotubi al carbonio sono singoli fogli di atomi di carbonio arrotolati "a tubo" e, secondo previsioni, i futuri chip che incorporeranno transistori basati su questa tecnologia offriranno un miglioramento prestazionale di 5-10 volte ai circuiti di silicio. Lo studio, pubblicato su Nature Nanotechnology (autori: Hongsik Park, Ali Afzali, Shu-Jen Han, George S. Tulevski, Aaron D. Franklin, Jerry Tersoff, James B. Hannon e Wilfried Haensch), potrebbe avere grandi ripercussioni in diversi ambiti, non solo quello dei circuiti integrati.
IBM è al lavoro da tempo su queste soluzioni (Transistor da 9 nanometri, IBM soffoca Intel con il carbonio) ed è riuscita a posizionare con precisione più di 10mila transistor funzionanti composti da nanotubi al carbonio su un singolo chip. Finora gli scienziati erano stati in grado a collocare al massimo poche centinaia di nanotubi al carbonio alla volta, non abbastanza per rendere questa tecnologia adeguata agli standard attuali.
Ecco come i nanotubi al carbonio si legano chimicamente con uno speciale rivestimento di materiali in una trincea (scanalature nel substrato) di ossido di afnio esposto.
Il nuovo metodo è basato su uno scambio chimico di ioni che consente un posizionamento preciso, controllato e ad alta densità (fino a un miliardo per centimetro quadrato) di nanotubi al carbonio allineati su un substrato. I nanotubi al carbonio si presentano come una combinazione di metalli e semiconduttori, ma per il funzionamento di un circuito sono utili solo quelli semiconduttori e bisogna rimuovere quelli metallici per evitare errori e problemi. Per questo motivo il processo di IBM inizia con i nanotubi al carbonio mischiati a un tensioattivo, un tipo di sapone che li rende solubili in acqua.
Un substrato è costituito da due ossidi, con trincee costituite di ossido di afnio chimicamente modificato (HfO2) e ossido di silicio (SiO2). Il substrato viene immerso nella soluzione di nanotubi al carbonio e questi si attaccano, mediante un legame chimico, alle regioni HfO2 mentre il resto della superficie rimane pulita. Questo va a rispondere a requisiti di purezza e disposizione dei transistor, aprendo la possibilità di creare chip con miliardi di transistor a costi adeguati alla commercializzazione di massa.
"Stiamo cercando compiere i primi passi verso una tecnologia di realizzazione di transistor ai nanotubi al carbonio, il tutto nell'ambito di un'infrastruttura tradizionale di produzione di wafer", ha dichiarato Supratik Guha, direttore del Physical Sciences di IBM Research. "Lavoriamo con i transistor ai nanotubi al carbonio perché a dimensioni estremamente piccole si comportano meglio di transistor basati su altri materiali. Ci sono tuttavia delle sfide da affrontare come una purezza altissima dei nanotubi al carbonio e il posizionamento controllato in scala nanometrica. Abbiamo fatto passi in avanti significativi su entrambi i fronti".
L'impegno di IBM, va di pari passo a quelli di altre aziende e università di tutto il mondo. Oltre ai nanotubi al carbonio gli scienziati di tutto il mondo stanno studiando il grafene. Poiché questo materiale non presenta una bandgap (banda proibita) in modo naturale, ma è possibile manipolarlo per crearla, secondo IBM è più semplice e meno complesso lavorare su altre soluzioni, anche se ovviamente l'azienda continua a studiare anche il grafene, un materiale adatto a molteplici impieghi.