Ricercatori del MIT individuano un'alternativa al grafene

Il grafene è ormai da molto tempo oggetto di una vivace ricerca in tutti i principali laboratori privati ed atenei del mondo, ed addirittura in Cina è diventata una priorità supportata dal governo. Si tratta di un materiale di cui abbiamo avuto modo di parlare spesso su queste pagine e che, in virtù della sua elevata mobilità elettronica, viene considerato come uno tra i più promettenti eredi del silicio per la realizzazione di componenti elettronici.

Il grafene manca però di una banda proibita naturale (ovvero l'intervallo di energia, interdetto agli elettroni, compreso tra la banda di valenza e la banda di conduzione), ed è per questo motivo che un gruppo di ricercatori del MIT e dell'Harvard University sostiene che la strada del grafene non sia quella corretta, andando a ricercare invece materiali composti che abbiano le stesse proprietà del grafene in aggiunta ad una banda proibita naturale e sembra abbiano individuato nel NiHITP - Nickel exa-immino-trifenilene una famiglia di materiali promettenti.

Il NiHITP, come il grafene, si autoassembla in strutture esagonali che possono impilarsi in strati molteplici, con le aperture a nido d'ape che si allienano perfettamente lasciando spazi di due nanometri attraverso la pila di strati. Mircea Dinca, professore di chimica presso il MIT, spiega: "Proprio come la grafite può essere esfoliata in grafene, il nostro materiale può essere esfoliato in fogli singoli. Rispetto agli strati di grafene, i nostri strati dovrebbero essere regolabili tramite modifiche chimiche controllate, che altereranno le proprietà elettroniche in maniera sistematica".

Ufficialmente il nuovo materiale è chiamato Ni3(HITP)2 dal momento che lega tre atomi di nickel con due molecole organiche di HITP, ma il NiHITP è il primo di una famiglia di materiali con banda proibita naturale le cui funzioni elettroniche possono essere regolate in maniera specifica su scala atomica.

"Non abbiamo ancora misurato la sua banda proibita, ma è più grande di 0. La banda proibita del grafene è 0, che non lo rende adatto, così com'è, come semiconduttore. Una delle cose su cui stiamo lavorando ora è di realizzare grandi fogli di questo materiale per poter misurare la sua banda proibita e meglio caratterizzare le sue proprietà elettroniche e quindi di realizzare componenti con esso. Queste sono le nostre sfide immediate. E dal momento che c'è davvero molto margine per la regolabilità, non vedo davvero limitazioni se non quella di produrre più materiale. Abbiamo già vari altri relativi materiali bidimensionali che dovrebero tutti avere proprietà elettroniche leggermente differenti, che è la nostra prossima direzione ovvero un analogo metallo-organico del grafene che sia regolabile".

Invece di introdurre impurità o difetti nel NiHITP tramite la tecnica del drogaggio, come avviene con i tradizionali semiconduttori, il nuovo materiale può essere "costruito" con accuratezza a livello atomico regolando così le sue capacità in modo tale da favorire specifiche proprietà elettroniche ed eventualmente anche proprietà ottiche.

"Il nostro materiale è ben definito fino al livello atomico. Questo è il punto: invece di affidarci ai difetti, che non sono compresi fino in fondo e non è possibile controllarli in maniera davvero adeguata, stiamo cercando un materiale le cui proprietà sono modulate intrinsecamente mediante i suoi componenti molecolari. Lo assembliamo da zero, molecola per molecola" ha sottolineato Dinca.

I ricercatori lavoreranno per cercare di realizzare una famiglia di materiali con differenti formulazioni degli elementi di base le cui proprietà vengono regolate per specifiche applicazioni, incluse ad esempio la realizzazione di celle solari capaci di catturare differenti lunghezze d'onda della luce, supercondensatori con elevata capacità di stoccaggio, isolanti topologici oppure ancora dispositivi quantistici basati sull'effetto Hall. Il progetto di ricerca è finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli USA e dal Center for Excitonics del MIT.