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martedì 29 luglio 2008

OLTRE LA LEGGE DI MOORE 3


Ricercatori portoghesi del Centro de Investigação de Materiais (Cenimat/I3N), della Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova (Lisbona) hanno messo a punto un innovativo dispositivo che utilizza la fibra di cellulosa come interstrato e isolante per i transistors (i risultati dello studio saranno disponibili su Ieee Electron Device Letters da settembre).

Elvira Fortunato e Rosdrigo Martins hanno realizzato il primo transistor ad effetto di campo (FET, Field Effect Transistor) realizzato con un comune foglio di carta come interstrato. Attualmente, si registra un interesse crescente nell’uso di biopolimeri per applicazioni elettroniche a basso costo. Poiché la cellulosa è il principale polimero sulla Terra, da tempo la carta viene utilizzata come supporto fisico (substrato) nelle apparecchiature elettroniche. Nessuno prima d’ora, però, l’aveva utilizzata come componente di un FET.

Nella costruzione del dispositivo sperimentale, i due ricercatori del Cenimat /I3N hanno utilizzato un foglio di carta al posto dello strato dielettrico (isolante) dei normali transistor a pellicola sottile, e hanno costruito il congegno su entrambi i lati del foglio: in questo modo, la carta agisce contemporaneamente sia come isolante, sia come substrato.

Secondo i ricercatori, il nuovo dispositivo è estremamente competitivo rispetto ai transistor a pellicola sottile (TFT, Thin Film Transistor) prodotti con substrati di vetro e silicio cristallino, oggi largamente utilizzati e il rendimento è superiore a quello dei FET tradizionali al silicio.

Sostituendo perfettamente il silicio, la cellulosa funziona sia da supporto del circuito, che diventa flessibile e più economico da realizzare, sia da elemento isolante.

Un gruppo di ricerca dell’Università dell’Illinois di Urbana-Champaign, in collaborazione con la Purdue University, ha trovato una soluzione per produrre transistor da reti di nanotubi al carbonio, spianando la strada ad una tecnologia che potrebbe consentire lo stampaggio di circuiti su fogli di plastica e ottenere nuovi componenti elettronici flessibili come display o pellicole che potrebbero, per esempio, ricoprire l’intera struttura di un velivolo per monitorarne eventuali cedimenti (lo studio è apparso su Nature).

I display flessibili potranno essere integrati in parabrezza intelligenti per fornire informazioni ai guidatori, altre applicazioni potrebbero essere la "carta elettronica" che visualizza testo e immagini, celle solari stampate su fogli di plastica, schermi televisivi arrotolabili ecc. I transistors di nanoreti promettono di dare impulso alla "macroelettronica" perché si adattano a tante applicazioni diverse.

La cosiddetta tecnologia delle “nanoreti” – insiemi di circuiti prodotti sovrapponendo in modo casuale molti nanotubi di carbonio a parete singola in una struttura reticolare – finora è stata affetta da un inconveniente critico: i cortocircuiti causati dalla contaminazione da parte di nanotubi metallici che si formano in modo non ordinato durante il processo di fabbricazione.

I ricercatori dell'Illinois hanno scoperto che tagliando le nanoreti a strisce si riescono a prevenire i cortocircuiti interrompendo il cammino dei nanotubi metallici. "Si tratta di un progresso fondamentale nella costruzione di circuiti a nanotubi", ha commentato Ashraf Alam, docente di ingegneria della Purdue University e coautore dello studio.

La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation attraverso il Network for Computational Nanotechnology del Birck Nanotechnology Center della Purdue, dal Department of Energy, dalla Motorola Corp., e dal Frederick Seitz Materials Research Lab, dal Center for Microanalysis of Materials e il Department of Chemistry della Illinois University.

I ricercatori della University of Illinois hanno condotto le ricerche di laboratorio, mentre alla Purdue University hanno svolto le simulazioni creando i modelli matematici necessari per disegnare i circuiti, interpretare ed analizzare i dati (è stato utilizzato il network globale chiamato "nanoHUB" che fornisce risorse per ricerche scientifiche nel campo della nanotecnologia). . Alla fine hanno creato un circuito flessibile contenente più di 100 transistors, la più grande "nanonet" funzionante mai realizzata (i prossimi circuiti conterranno fino a 10.000 o più transistors).

"Potremo usare i transistors di nanotubi per circuiti integrati flessibili ad alte prestazioni, leggeri, super-resistenti, a basso costo, dato che possono essere prodotti a basse temperature, a differenza di quelli tradizionali basati sul silicio e realizzati su wafer rigidi o su piatti di vetro", dice Alam.

Ogni transistor a nanorete consiste di diverse strisce di nanotubi separate da linee incise mediante i processi standard normalmente utilizzati dall'industria dei semiconduttori.

Le ricerche future dovranno valutare l'affidabilità dei circuiti realizzati con i nanotubi.

Il 27 aprile del 2001, fisici del Thomas J. Watson Research Center di IBM annunciavano di aver fabbricato il primo insieme di transistors fatto con nanotubi al carbonio.

Un annuncio che riportava alla mente quello che nei tardi anni Quaranta fecero i primi scienziati che svilupparono il transistor bipolare, il dispositivo che ha generato l'era dei microchip.

Come i loro predecessori del dopoguerra, gli scienziati IBM Philip G. Collins, Michael S. Arnold e Phaedon Avouris avevano stabilito un importante traguardo, riuscendo ad utilizzare nanotubi metallici fusi in un circuito integrato. "Sarà possibile fabbricare migliaia di questi transistors su un substrato di silicio", diceva entusiasta Collins, "con la giusta sequenza di pulsazioni elettriche, è possibile selezionare i nanotubi semiconduttori".

I transistors fatti di nanotubi consisterebbero solo di un centinaio o un migliaio di atomi, mentre gli attuali material non possono approcciare questo livello di miniaturizzazione

"Stiamo parlando di dispositivi drasticamente più ridotti", dice Tom Theis, direttore della ricerca all'IBM, "e siccome i componenti chiave sono fabbricati mediante sintesi chimica, possono ridurre drasticamente anche i costi".

(a destra, nanotubi al carbonio cresciuti su wafers di silicio che vanno in tutte le direzioni; a sinistra, nanotubi ordinati cresciuti su cristalli di quarzo. Credit: Stanford University Department of Electrical Engineering)

Due gruppi separati di ricercatori hanno pubblicato due studi che dimostrano gli avanzamenti raggiunti nel creare, ordinare e organizzare i nanotubi al carbonio in modo da poterli utilizzare come componenti nanoelettronici.

Per via delle loro ridottissime dimensioni e per il fatto che potrebbero rimpiazzare due componenti basi dei microchips moderni (conduttori e semiconduttori), sono al centro degli interessi della ricerca elettronica. Un interesse che continua a crescere mentre l'attuale tecnologia di produzione si avvia a raggiungere i suoi limiti fisici.

Finora, però, i ricercatori non sono riusciti a trovare il modo per crescere dei nanotubi esclusivamente metallici o semiconduttori, e neanche a ordinarli in patterns regolari, il ché ha reso impossibile l'utilizzo dei nanotubi su scala industriale.

"Una formica è incredibilmente forte rispetto alle sue dimensioni, ma nessuno utilizza le formiche per lavori utili perché corrono in tante differenti direzioni", dice Mike Mayberry, direttore della ricerca sui componenti alla Intel.

Fin da quando sono stati scoperti nel 1993 dal ricercatore IBM Donald S. Bethune e dal ricercatore NEC Sumio Ijima, i nanotubi hanno sempre affascinato i ricercatori. Ogni nanotubo è fatto da uno strato di atomi di carbonio arrotolato che forma un cilindro a parete singola o multipla. Sebbene ogni cilindro consista di una molecola dal diametro non più grande di un nanometro o due, le molecole possono essere cresciute fino a raggiungere dimensioni 30 milioni di volte superiori (alcuni centimetri di lunghezza), come se un capello umano fosse stirato per più di 2 km.

Inoltre, queste strane molecole di carbonio (le buckyballs, ndr), esibiscono proprietà eccezionali, tra cui una super-resistenza. per il fatto che sono tenute insieme da legami atomici. Per quel che riguarda le proprietà elettriche, a seconda di come vengono arrotolati, i nanotubi possono essere sia metallici, e quindi dei buoni conduttori, sia semiconduttori, quindi utilizzabili come componenti logici per i microchips.

Lo studio presentato al VLSI Symposium da Nishant Patil, Albert Lin, Edward R. Myers, H.-S. Philip Wong e Subhasish Mitra, tutti del dipartimento di ingegneria elettrica della Stanford University, si concentra sul problema di come raddrizzare i nanotubi per poterli incorporare nei chips.

Per essere utilizzabili nella produzione su larga scala, i componenti fatti di nanotubi dovranno essere integrati con i chips esistenti basati sul silicio. Purtroppo, però, non è possibile crescere nanotubi su wafers di silicio in modo ordinato. Gli autori dello studio propongono di crescere i nanotubi su cristalli di quarzo, dove si dispongono più ordinatamente, e poi trasferirli su wafers di silicio.

Ma anche si riuscisse ad ottenere dei nanotubi ragionevolmente dritti, c'è poi il problema di creare selettivamente dei nanotubi metallici e semiconduttori. L'altro studio, pubblicato su Science, a cura degli ingegneri chimici Melburne C. LeMieux, Mark Roberts, Soumendra Barman, Yong Wan Jin, Jong Min Kim e Zhenan Bao, della Stanford e della Samsung, sostiene che combinando il substrato in cui i nanotubi vengono cresciuti sia possibile controllarne la forma.Usando un substrato di aminosilane, si avranno dei nanotubi quasi interamente semiconduttori, mentre con substrati di composti aromatici si avranno nanotubi metallici.

Più i circuiti sono piccoli, più sono veloci e consentono di concentrare più componenti in un singolo chip, aumentando la potenza dei processori. L'attuale tecnologia di produzione crea elementi per circuiti dell'ampiezza di 45 nanometri, mentre la prossima generazione, il cui prototipo sarà pronto per la fine di quest'anno, scenderà a 32 nanometri, una misura molto vicina al limite, che è dovuto essenzialmente a due ragioni: più i circuiti basati su silicio e rame diventano piccoli, più aumentano i problemi legati alla dispersione dell'elettricità e alla dissipazione del calore. Un circuito basato su nanotubi, invece, potrebbe essere estremamente efficiente anche a dimensioni di 1 o 2 nanometri.

Un altro problema è la barriera fisica che riguarda le tecniche di fotolitografia (il procedimento tramite il quale le configurazioni geometriche tracciate su di una maschera, che definiscono le regioni di cui è composto un circuito integrato, vengono trasferite su un sottile strato di materiale organico, chiamato "resist", sensibile alla radiazione, con il quale viene preventivamente ricoperta l'intera superficie della fetta di semiconduttore che sarà poi incisa chimicamente rimuovendo le parti non mascherate) usate per stampare i circuiti dei microchip.

Siccome la dimensione critica (Critical Dimension o CD), ovvero la dimensione minima dell'incisione che può venire praticata, è direttamente proporzionale alla lunghezza d'onda della radiazione incidente, attualmente, la migliore fotolitografia tradizionale non può scendere sotto i 120 nanometri. Per utilizzare componenti più piccoli, sarà dunque necessario sviluppare un tecnologia completamente differente

Sono in via di sviluppo una serie di metodi per ridurre progressivamente la lunghezza d’onda della luce incidente e per migliorare i relativi materiali e l’intero processo tecnologico. L'Extreme-Ultraviolet Lithography (EUL o EUVL) è un sistema laser ad alta potenza (di alcuni kw) con lunghezze d'onda di 13 nm, che presenta però come inconveniente i detriti di plasma lasciati sul substrato; La X-ray Lithography sfrutta lunghezze d’onda di 1 nm, non risente della contaminazione da polvere o particelle, ma ha una risoluzione limitata ai 100 nm; l'Electron-Beam Lithography (EBL) ha una risoluzione limitata dalle proprietà del resist, non dalla lunghezza d’onda, ma il processo di fabbricazione, con scrittura sequenziale, è lento; la Ion- Beam Projection Lithography (IPL) presenta un’altissima risoluzione, controllata dal computer, il ché riduce sensibilmente la lentezza di fabbricazione, ma è molto costosa e necessita di una fonte di ioni affidabile.

La maggior parte di queste tecniche sono basate sulla rimozione spazialmente selettiva di un polimero o mediante una deposizione/formazione locale di molecole nelle zone desiderate. Un esempio significativo è la cosiddetta Dip-Pen Nanolithography, con la quale si sfrutta la punta di un Microscopio a Forza Atomica (AFM, Atomic Force Microscope) che viene ricoperta da molecole come i tioli, in grado di reagire chimicamente con una superficie di oro formando forti legami covalenti con essa; Controllando il movimento della punta sulla superficie si può sfruttare una goccia d’acqua come canale per far migrare le molecole dalla punta al campione, ottenendo un processo analogo alla scrittura con una penna ad inchiostro.

Nell'attesa che tutte queste tecniche conducano ad un tecnologia utilizzabile per produzioni su larga scala di "nanochips", i nanotubi vengono già utilizzati su larga scala per interconnettere differenti sezioni del microchips oppure incorporati nel sistema di raffreddamento.

(Credit: Hongjie Dai)

Usando il grafene, ricercatori della Stanford University guidati dal chimico Hongjie Dai hanno sviluppato un transistor ad effetto di campo che può operare a temperatura ambiente. Il dispositivo potrà in futuro essere integrato in chips ad alte prestazioni per aumentare la velocità delle operazioni e generare meno calore (il lavoro è stato descritto su Physical Review Letters).

Il gruppo della Stanford ha realizzato dei nanocomponenti di larghezza inferiore ai 10 nanometri che possono operare anche ad alte temperature usando un nuovo procedimento chimico.

Il grafene, secondo David Goldhaber-Gordon, assistente professore di fisica alla Stanford, potrà essere usato come supplemento al silicio. Secondo Dai, il grafene sarà sicuramente utile, ma non rimpiazzerà il silicio.

Sempre utilizzando il grafene, il Dr Kostya Novoselov e il professore Andre Geim della School of Physics and Astronomy alla University of Manchester hanno realizzato il transistor più piccolo al mondo, lungo un atomo e largo 10.

Erano stati proprio Novoselov e Geim, nel 2004 a scoprire il grafene. Per Jie Chen, ricercatore impegnato nello stesso settore per l'Università di Alberta (Canada), i due sono senza dubbio "i leader mondiali in questo campo". "Dal punto di vista fisico, il grafene è una miniera d'oro", dice Novoselov, che con il suo collega è riuscito a realizzare un transistor di dimensioni infinitesimali, sfruttando tecnologie già ampiamente consolidate e diffuse nelle attuali installazioni industriali come la litografia a fascio di elettroni, usata per scavare dei solchi nel foglio di grafene.

Il risultato ottenuto è stato un "quantum dot", una nanostruttura conduttrice a cui è possibile applicare una differenza di potenziale per modificare la conduttività e consentire la conservazione di stati logici, esattamente come avviene nei transistor tradizionali. Con questo metodo, i due ricercatori sono stati in grado di ridurre a 10 nanometri la dimensione di un transistor, ma prevedono di riuscire a spingersi fino a 1 nanometro in tempi brevi.

Allo stato attuale, i problemi di realizzazione riguardano proprio la produzione dei cristalli di grafene, di circa 100 micron di larghezza, troppo piccoli per un impiego industriale su larga scala, come può essere, ad esempio, quello di colossi come Intel e AMD. Per vedere prodotte le prime applicazioni industriali di questa tecnologia, dunque, ci potrebbero volere almeno 10 anni.

Il 2020 è proprio l'anno indicato dagli esperti per il raggiungimento della miniaturizzazione massima dei transistor in silicio. A quel punto, l'impiego del grafene diventerà indispensabile qualora si voglia scendere al di sotto dei 10 nanometri, limite oltre il quale il silicio non permetterebbe più la costruzione di transistor affidabili, perché tutti i materiali semiconduttori, silicio incluso, iniziano a diventare instabili, si ossidano, si decompongono e migrano in maniera incontrollabile lungo le superfici dei transistor.

Il grafene promette di ovviare al problema, in quanto, a differenza di altri materiali, rimane stabile e conduttivo anche quando usato per dispositivi nanometrici. Anzi, le prestazioni migliorano al diminuire delle dimensioni.

Un gruppo di ingegneri elettrici della Stanford e della Toshiba ha presentato il prototipo di un chip da 11.000 transistors con interconnessioni fatte di nanotubi al carbonio, invece che di cavi in rame (il lavoro è stato pubblicato su Nano Letters).

"Per la prima volta abbiamo dimostrato che segnali digitali possono viaggiare attraverso dei nanotubi ad 1 gigahertz", dice H.-S. Philip Wong, professore di ingegneria elettrica alla Stanford, co-autore dello studio.

Il team ha dimostrato che nanotubi metallici, sintetizzati per la massima conduttività elettrica, sono capaci non solo di collegare i transistors velocità rilevanti su scala industriale, ma anche di essere utilizzabili in circuiti reali che usano materiali, design e processi di produzione compatibili con quelli attuali.

Realizzando un insieme di 256 circuiti chiamati "oscillatori ad anello", normalmente impiegati a livello industriale per testare la velocità dei chips, che in totale comprende 11.000 transistors in un'area pari ad un centesimo di un pollice quadrato (ogni nanotubo misura tra i 50 e i 100 nanometri di diametro e circa 5 micron di lunghezza).

Posti direttamente sopra i transistors che collegano, i nanotubi hanno consentito trasmissioni a 1.02 gigahertz (miliardi di cicli al secondo). I processori dei personal computers attualmente sul mercato viaggiano a velocità tra i 2 e i 3 gigahertz.

Ci sarà bisogno ancora di molti miglioramenti per applicazioni commerciali, soprattutto per quanto riguarda la purezza e la dimensione dei nanotubi in grado di assicurare connessioni affidabili. Ma la ricerca conferma che i nanotubi sostituiranno presto il rame nei circuiti integrati.


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