Carbone, da combustibile fossile a materiale per i microprocessori del futuro?

Il carbone potrebbe essere la chiave per creare semiconduttori basati su materiali bidimensionali capaci di andare ben oltre le caratteristiche degli attuali transistor in silicio.

Uno studio segnalato da IEEE Spectrum, apparso su Nature, a cui ha partecipato anche il National Energy Technology Laboratory (NETL) del Dipartimento dell'Energia USA, vede nel carbone un materiale utile per i semiconduttori del futuro.

Abbondante in natura, per decenni il carbone ha rappresentato una fonte energetica essenziale, ma al tempo stesso altamente inquinante. Per questo motivo, il suo impiego è scemato, e in futuro - complici i tentativi di frenare il cambiamento climatico - dovrà essere totalmente dismesso (o almeno così si spera).

La seconda vita del carbone potrebbe essere nei transistor, i tasselli fondamentali dei chip. Costituiti da materiali semiconduttori e isolanti, i transistor odierni sono basati sul silicio, un materiale che per decenni si è rivelato estremamente duttile. L'estrema miniaturizzazione ne inficia però le caratteristiche che l'hanno reso "IL" materiale dell'hi-tech e questo diventerà, presto o tardi, un problema per tutta l'industria.

D'altronde, a fronte di un rallentamento della Legge di Moore, stiamo vivendo un repentino aumento della domanda di potenza di calcolo da tutti i settori, e non solo dal segmento dell'IA generativa.

Il settore sta quindi cercando alternative, vagliando soluzioni come il grafene, il nitruro di boro e il bisolfuro di molibdeno, materiali bidimensionali (detti per l'appunto 2D), cioè spessi quanto un singolo atomo. A frenare la loro adozione però è la carenza di materiali isolanti a cui accoppiarli.

Gli ossidi metallici usati come materiali isolanti in abbinamento al silicio potrebbero infatti non essere il giusto accoppiamento ai semiconduttori bidimensionali: l'interfacciamento tra i due materiali rappresenta un problema, con la superficie frastagliata e irregolare degli ossidi metallici 3D che forma trappole e punti di dispersione laddove si incontra con la superficie liscia e piatta dei semiconduttori 2D. Queste regioni potrebbero rallentare gli elettroni e deviarli dal loro percorso, causando una condizione definita "leakage".

I ricercatori hanno già provato a creare isolanti 2D, ma il problema risiede nel processo di fabbricazione: per realizzarli, gli scienziati applicano calore in una camera a vuoto e il calore fa cristallizzare i materiali isolanti. I confini tra i cristalli vicini fungono da percorso attraverso il quale la corrente può disperdersi nel materiale isolante, un effetto indesiderato. Idealmente, un materiale isolante per semiconduttori 2D dovrebbe essere amorfo (non cristallino) e anche 2D.

Ed è qui che entra in gioco un nuovo materiale derivato dal carbone, apparentemente in grado di offrire tutte queste cose. Quando stratificato con semiconduttori di grafene e bisolfuro di molibdeno, il carbone garantisce prestazioni drasticamente migliori rispetto agli isolanti 2D cristallini e all'ossido di metallo.

Creato il primo semiconduttore funzionante fatto di grafene

L'aspetto interessante è che il processo di fabbricazione è relativamente semplice: il carbone vien macinato in una polvere fine, sospeso in una soluzione e depositato in un film sottile. I ricercatori sono stati in grado di ottenere strati coerenti spessi solo da 1 a 2 atomi.

Congjun Wang, scienziato senior del NETL e coautore dello studio, ha affermato che il carbone è un materiale di partenza ideale grazie alla sua ricca nanostruttura, che ne facilita la trasformazione in un isolante e la sua scalabilità. Un altro vantaggio è che il carbone è un materiale competitivo in termini di costi e diffuso, il che permettere di avere una filiera produttiva resiliente a eventuali problemi.

I ricercatori si concentreranno ora su metodi per aumentare la produzione, aspetto non secondario per l'applicazione sull'enorme scala dell'industria dei chip. Tra l'altro, lo studio ha visto coinvolta anche TSMC, la fonderia taiwanese per conto terzi più grande al mondo.