Da isolante a conduttore con un "tira e molla"

Da isolante a conduttore con un "tira e molla"

Un particolare materiale spesso solo tre atomi può cambiare stato da isolante a conduttore con una tensione meccanica. Per ora si tratta solo di un modello simulato al computer

di Andrea Bai pubblicata il , alle 09:30 nel canale Scienza e tecnologia
 

Come abbiamo avuto modo di sottolineare più volte in questi ultimi anni, la miniaturizzazione quale strada principale all'evoluzione tecnologica e alla ricerca di maggiori prestazioni sta ormai mostrando i suoi chiari limiti. La riduzione delle dimensioni dei transistor è tale che risulta ora moto difficile trovare un materiale isolante sufficientemente valido da poter separare gate e il canale sottostante senza che si verifichino fenomeni di dispersioni di corrente.

Chi si occupa dello sviluppo e della produzone di circuiti integrati ha da tempo deciso di non procedere oltre con l'assottigliamento dell'ossido del gate, che ora si trova ad uno spessore di circa 1 nanometro, poiché ciò comporterebbe un flusso eccessivo di corrente nel canale anche quando il transistor dovrebbe essere spento.

Un gruppo di ricercatori della Stanford University ha condotto una serie di simulazioni con materiali bidimensionali che, una volta stratificati assieme, possono mutare da isolanti a conduttori semplicemente applicando una tensione meccanica ai loro bordi. Se gli esperimenti fisici sui materiali dovessero dare un riscontro positivo, questa nuova idea potrebbe rappresentare una strada per eliminare completamente la dispersione di corrente nei circuiti integrati ed offrire ancora qualche margine alle tecniche di miniaturizzazione.

Nel modello realizzato al computer i ricercatori hanno collocato uno strato di atomi di molibdeno tra due strati di atomi di tellurio. Questo "sandwich" di materiali, spesso appena tre atomi, passa da uno stato isolante ad uno stato di conduzione quando viene tirato ai lati. Si tratta di un modello molto interessante sulla carta, ma per il quale vi sono dubbi sulla possibilità di tradurlo in un materiale reale.

La realizzazione pratica del sandwich di molibdeno e tellurio, infatti, non è sufficiente ad assicurare la possibilità di una produzione su larga scala, che è poi ciò che interessa al settore e lo scoglio sul quale spesso si infrangono numerose attività di ricerca che riescono magari a delineare soluzioni, materiali e strutture molto promettenti ma che non possono essere prodotte a livello commerciale.

Il materiale simulato dai ricercatori di Stanford risulta inoltre molto flessibile, una caratteristica anch'essa piuttosto interessante e spesso ricercata nella tecnologia moderna poiché risulta funzionale alla realizzazione di componentistica (chip, sensori, display e quant'altro) che possa essere utilizzata in applicazioni particolari o anche nel campo dei dispositivi indossabili, mercato che dovrebbe scaldare i motori entro la fine dell'anno.

7 Commenti
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Sk8ordie04 Luglio 2014, 15:42 #1
Non credo sia una strada percorribile... I transienti meccanici sono ordini di grandezza più lunghi di quelli elettrici. Un sistema meccanico che operi a frequenze del GHz devo ancora vederlo.

Esempio lampante: SSD vs HD.
avvelenato04 Luglio 2014, 17:03 #2
Originariamente inviato da: Sk8ordie
Non credo sia una strada percorribile... I transienti meccanici sono ordini di grandezza più lunghi di quelli elettrici. Un sistema meccanico che operi a frequenze del GHz devo ancora vederlo.

Esempio lampante: SSD vs HD.



Provo a dire una cazzata: se si riuscisse a gestire i fononi?
Sk8ordie04 Luglio 2014, 18:08 #3
Originariamente inviato da: avvelenato
Provo a dire una cazzata: se si riuscisse a gestire i fononi?


Fononi?
avvelenato04 Luglio 2014, 18:28 #4
Originariamente inviato da: Sk8ordie
Fononi?


Le mie competenze in fisica sono veramente elementari, ma se ho capito bene un fonone è una quasiparticella che modella un quanto di energia meccanica in un reticolo cristallino. Quindi questi potrebbero produrre la tensione meccanica, molto in teoria.
Sk8ordie04 Luglio 2014, 19:03 #5
Originariamente inviato da: avvelenato
Le mie competenze in fisica sono veramente elementari, ma se ho capito bene un fonone è una quasiparticella che modella un quanto di energia meccanica in un reticolo cristallino. Quindi questi potrebbero produrre la tensione meccanica, molto in teoria.


Non conosco l'argomento ma il problema non è la produzione della forza necessaria a modificare la struttura. Un altro esempio applicativo che mi viene in mente per farlo, più commerciale del tuo, potrebbe essere incollare il transistor su una superficie di materiale piezoelettrico, in questo modo si potrebbe controllare la deformazione del materiale sempre attraverso un segnale elettrico.

Anche in questo caso però resta il problema che ho citato nel primo messaggio: il materiale piezoelettrico per dilatarsi e contrarsi ha bisogno di tempo, tale transitorio, essendo di tipo meccanico, è molto lento se paragonato ad un qualsiasi transitorio di tipo elettrico. Per esempio la carica/scarica di un condensatore avviene nell'ordine dei microsecondi, forse anche meno. In termini di frequenze un sistema elettrico lavora tranquillamente a frequenze dei MHz, un sistema meccanico classico quando arriva ad 1 KHz è ciccia..... Forse dato che le dimensioni del problema sono dell'ordine di grandezza di qualche atomo, può darsi che il transitorio meccanico sia mooolto basso e vicino a quelli dei sistemi elettrici. E' proprio la massa dei sistemi meccanici che limita la loro frequenza massima di funzionamento, quindi sistema piccolo ----> transitorio più breve.

Comunque l'ipotetica CPU fatta di questi nuovi transistor dovrebbe girare a frequenze più basse di quelle che si vedono di solito, sarebbe più efficiente, sì, ma non so quanto più potente a meno di ulteriori parallelizzazioni dei circuiti.

Non so se ho spiegato il problema, comunque se ci spendono soldi forse questa tecnologia qualche sbocco economico ce l'ha, non credo siano così stupidi da buttare soldi fuori di finestra.
avvelenato06 Luglio 2014, 13:22 #6
La velocità di propagazione è quella del suono nel materiale rigido, quindi diversi ordini di grandezza inferiore di quella elettronica (che viaggia a frazioni di c). Tuttavia in sé la frequenza dell'onda fononica può essere alta, tant'è che i fononi possono essere distinti in fononi acustici (a bassa frequenza) e fononi ottici (ad alta frequenza), questi ultimi interpretabili basilarmente come la variazione di temperatura degli atomi coinvolti.

Quindi, se il percorso del fonone è molto breve in sé non è impossibile raggiungere frequenze elevate quali noi siamo abituati nei nostri supercomputer, ma per il momento probabilmente questa ricerca può sperare a frequenze più modeste, nell'ordine dei megahertz.
Sk8ordie06 Luglio 2014, 17:08 #7
Ok ma tu stai parlando di un metodo di produzione della forza, che siano onde sonore, che sia una molla, che sia quello che vuoi la frequenza di oscillazione massima a cui riesce ad andare il materiale del transistor non è molto alta. Tale frequenza prescinde dalla natura della forza che la mette in atto.
Comunque so che nei materiali soliti metallici l'ordine di grandezza della propagazione del suono è di qualche km/s. Facendo un conto veloce se un materiale ha una velocità di propagazione del suono del silicio di 3,2 km/s e un MOS da 20 nm la frequenza massima teorica a cui mandare le onde sonore sarebbe di:

3,2km/s*10^12:20nm=160GHz

Contando una frequenza classica di switching di 3-4 GHz sarebbe ampiamente sotto il limite fisico del materiale quindi fattibile.
Vedremo che tireranno fuori in futuro, magari stiamo dicendo un sacco di cazzate!

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