Gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) stanno facendo passi avanti nella tecnologia dei semiconduttori sviluppando materiali più sottili ed efficienti chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD). Questi materiali, spessi solo pochi atomi, potrebbero portare alla creazione di chip per computer più compatti e potenti. La ricerca esamina anche il ruolo dei difetti all’interno di questi materiali, che possono influenzare le loro proprietà elettriche e potenzialmente migliorare la loro funzionalità.
Per oltre mezzo secolo, i chip di silicio hanno svolto un ruolo fondamentale nella tecnologia informatica. Le caratteristiche più piccole sui chip attualmente in commercio misurano circa 3 nanometri, una dimensione sorprendentemente ridotta se si considera che un capello umano è largo circa 80.000 nanometri. Ridurre ulteriormente la dimensione delle caratteristiche sui chip ci aiuterà a soddisfare la nostra incessante necessità di maggiore memoria e potenza di elaborazione nel palmo della mano. Tuttavia, il limite di ciò che può essere ottenuto con i materiali e i processi standard è vicino.
I ricercatori del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il PPPL stanno applicando la loro esperienza in fisica, chimica e modellazione computazionale per creare la prossima generazione di chip per computer, puntando a processi e materiali che produrranno chip con caratteristiche più piccole. “Tutti i nostri dispositivi elettronici esistenti utilizzano chip fatti di silicio, che è un materiale tridimensionale. Ora, molte aziende stanno investendo molto in chip fatti di materiali bidimensionali,” ha detto Shoaib Khalid, fisico associato di ricerca presso il PPPL. Questi materiali esistono effettivamente in tre dimensioni, ma sono così sottili — spesso costituiti da solo pochi strati di atomi — che gli scienziati hanno preso a chiamarli 2D.
Khalid, insieme a Bharat Medasani del PPPL e Anderson Janotti dell’Università del Delaware, ha investigato un potenziale sostituto del silicio: un materiale 2D noto come dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD). Il loro nuovo articolo, pubblicato sulla rivista 2D Materials, dettaglia le variazioni che possono verificarsi nella struttura atomica dei TMD, perché accadono e come influenzano il materiale. Le informazioni su queste variazioni pongono le basi per perfezionare i processi necessari per creare chip per computer di nuova generazione. L’obiettivo finale è progettare sistemi di produzione basati sul plasma che possano creare semiconduttori a base di TMD realizzati secondo le specifiche precise richieste per l’applicazione.
Un TMD può essere sottile come tre atomi. Pensatelo come un piccolo sandwich di metallo. Il pane è fatto di un elemento calcogeno: ossigeno, zolfo, selenio o tellurio. Il ripieno è uno strato di metallo di transizione — qualsiasi metallo dei gruppi 3 a 12 nella tavola periodica degli elementi. Un TMD in massa ha cinque o più strati di atomi. Gli atomi sono disposti in una struttura cristallina o reticolo. Idealmente, gli atomi sono organizzati in un modello preciso e coerente in tutto il reticolo. In realtà, si possono trovare piccole alterazioni nel modello. Un punto nel modello potrebbe mancare di un atomo, o un atomo potrebbe trovarsi in una posizione insolita. Gli scienziati chiamano queste alterazioni difetti, ma possono avere un impatto benefico sul materiale.
Alcuni difetti nei TMD, ad esempio, possono rendere il semiconduttore più conduttivo elettricamente. Buoni o cattivi che siano, è fondamentale che gli scienziati comprendano perché i difetti accadono e come influenzeranno il materiale, in modo da poter incorporare o eliminare questi difetti secondo necessità. Comprendere i difetti comuni consente anche ai ricercatori di spiegare i risultati di esperimenti passati con i TMD.
Un altro tipo di difetto esplorato nell’articolo è noto come vacanza di calcogeno: un atomo mancante di ossigeno, zolfo, selenio o tellurio, a seconda del tipo di TMD. I ricercatori si sono concentrati sull’interpretazione dei risultati di esperimenti passati su fiocchi di materiale TMD in massa, come il disolfuro di molibdeno. Gli esperimenti, che hanno coinvolto l’illuminazione del TMD, hanno mostrato frequenze di luce inaspettate provenienti dal TMD. Queste frequenze inaspettate, hanno scoperto i ricercatori, potrebbero essere spiegate dal movimento degli elettroni legato alla vacanza di calcogeno.
Le scoperte fatte dai ricercatori del PPPL e dell’Università del Delaware rappresentano un passo significativo verso la realizzazione di chip per computer più avanzati. Comprendere i difetti nei TMD e il loro impatto sulle proprietà elettriche del materiale è cruciale per sviluppare processi di produzione che possano sfruttare questi difetti a vantaggio della funzionalità del chip. La capacità di controllare e manipolare i difetti nei TMD potrebbe portare a semiconduttori più efficienti e potenti, aprendo la strada a una nuova era di dispositivi elettronici.
