Elettrostatica e nanotecnologie

Congresso nazionale ESD –

A dimensioni prossime al nanometro gli scenari che si schiudono sono ben diversi rispetto a quelli con cui siamo abituati a convivere, anche in ambito elettrostatico. E le norme si devono adeguare.

Una delle relazioni più importanti nelle applicazioni dell'elettrostatica riguarda la forza attrattiva F che agisce fra due elementi carichi, con segno opposto, posti alla distanza d. La relazione, per due oggetti puntiformi, assume la forma di:

F = Ks q1 * q2 / d2 (1).

Per geometrie diverse, questa relazione può modificarsi, pur mantenendo la sua caratteristica: la forza elettrostatica fra due oggetti carichi, posti a distanza d, rimane inversamente proporzionale alla distanza. Questo tipo di relazione, esemplificata in (1) ha rilevanza sulle procedure di ionizzazione che in una EPA conducono all'annullarsi del campo elettrico sulla superficie di oggetti elettricamente isolanti e chiaramente mostra come, rispetto alla forza peso, a scale modeste, la forza elettrostatica possa diventare predominante, mentre a scale elevate (> 1 mm) essa possa divenire trascurabile. Questa relazione - nella forma opportuna - sarebbe valida a qualsiasi scala: sia per fenomeni modellizzabili, assumendo come cariche elementari degli atomi carichi (ioni), sia per fenomeni osservabili su scala mille o diecimila volte più ampia (particelle con dimensioni micrometriche o ancora maggiori). Cosa cambia, allora, fra questi due diversi livelli?
Vi sono almeno due aspetti differenti:
-    prima di tutto, per particelle dell'ordine di grandezza del nanometro o poco più emerge la natura quantistica dei fenomeni, quindi cambiano le leggi-base.
-    inoltre, a ogni diversa scala giocano in maniera diversa anche altre forze, come p.es. la forza di gravità, le forze di attrito o anche le forze di capillarità.

Prima di continuare, può essere utile esaminare il fenomeno della conduzione elettrica, che ha importanza in molti problemi di accumulo di carica incontrati nelle industrie elettroniche. È' chiaro a tutti, ormai, che uno dei modi per evitare/eliminare un accumulo di carica elettrica in una regione dello spazio consiste nel disporre percorsi a conduttività controllata che possano provvedere al drenaggio delle cariche stesse. Chiaramente tale “modo” è basato sul fenomeno di conduzione elettrica nei solidi, il quale, a sua volta, appare basato su fenomeni di urto: sequenzialmente, dei portatori di carica urtano, in modo parzialmente elastico, degli atomi, poi “volano” sospinti dal campo elettrico; successivamente ha luogo un altro urto parzialmente elastico, e così via.

Scale diverse, atteggiamenti diversi
Ci chiediamo: il processo di conduzione elettrica (inteso secondo la fisica classica) dipende dalla scala di osservazione? Se, partendo dalla scala del cm, ci arrestassimo alla scala del millesimo di millimetro (micron) non cambierebbe nulla. Domanda: e se scendessi a una scala 1000 volte più piccola (alla scala del nanometro)? A quel punto dovrei dire: sì. In quanto alle nano-scale il fenomeno di conduzione elettrica (nell'accezione della fisica classica) non ha più senso.
Infatti, potremmo rivolgere a noi stessi una domanda rivelatrice: “Qual è la conduttività di un atomo di rame?” Ovviamente, non esistendo il fenomeno di trasporto lungo un solo atomo, cade il concetto di conduzione elettrica del tipo sopra illustrato (e quindi non ha senso considerare alcuna conduttività, per nessun tipo di atomo). Pertanto, a scale nanometriche - dove l'unità di misura della lunghezza è composta da qualche atomo o da qualche decina di atomi - non avrebbe senso confrontare la conduttività di lunghezze diverse: la conduttività - in quel contesto - non esiste.
Si potrebbe procedere per altre e diverse proprietà, ma questi due esempi sono sufficienti per dimostrare l'assunto:
«A causa dell'asimmetria delle leggi fisiche, il mondo intorno agli oggetti (per esempio intorno alla coppia di elementi carichi a cui si faceva riferimento sopra, oppure intorno ai macro-oggetti nella EPA) risente di una sommatoria risultante delle forze locali diversa nei due casi, cioè a livello nanometro e a livello millimetro (o comunque a livello maggiore del micron). Quindi, a un osservatore esterno, i due casi appaiono espressione di due mondi fisici molto diversi».

Diversità delle normative
Come si è sviluppata la conoscenza in proposito? In estrema sintesi, si può affermare che sono state raccolte esperienze in ciascuno dei due mondi e che si sono progressivamente formati alcuni insiemi di dati. I vari insiemi sono stati confrontati fra loro. Sono state riscontrate alcune correlazioni e si è risaliti a una misura, quindi a una valutazione, infine al progetto e al controllo di un prodotto. Da questo livello in poi, solitamente, trovano concreta collocazione le indicazioni contenute in una Normativa Tecnica. Siano esse riferite a procedure, che a sistemi di misura o a definizioni, le indicazioni delle Normative tecniche discendono da esperienze raccolte e poste in comune. Nel caso in questione, per una stessa forza principale in gioco - quella elettrostatica - si nota che le esperienze raccolte in ciascuno dei due “mondi” sono lo specchio di situazioni ben diverse.
A tale “diversità” risale l'attività di due diversi corpi di Norma Tecnica internazionale, che ospi-tano fenomeni e regole legati all'elettrostatica: il primo, molto noto e molto vicino all'esperienza, si rispecchia nelle attività del IEC TC 101, cioè nella serie delle Norme IEC 61340-X-Y; il secondo, di recente costituzione, è il IEC TC 113, che sta preparando un insieme di norme adatte a evidenziare le esperienze elettriche nel settore delle nanotecnologie. Si noti che, nei due casi, si fa riferimento a esperienze applicative differenti. Nel primo caso, le esperienze raccolte sulle interazioni a carattere elettrostatico risalgono ai “secoli dei lumi” (inizio '700) e, in termini applicativi, discendono dall'avanzare dell'elettronica e dei microchip (dagli anni '60 in avanti). Tali esperienze sono poi state estrapolate ed estese a molti contesti e ci hanno condotto, oggi, a un corpo di normative decisamente affidabile.  Nel secondo caso, per quanto attiene le scale comprese fra 1 e 100 nm (cioè fra 0,001 e 0,1 micron) si parla di nanotecnologie e si cerca, per quanto possibile, di riportare tutte le esperienze a leggi o a regole già acquisite nel macromondo (ordine di grandezza: 1 mm - 1 metro). Data la notevole “distanza” fra le dimensioni - fino a circa 100 000 volte - è chiaro che molte esperienze nel mondo “macro” non potranno essere correttamente estrapolate al mondo “micro”, per non parlare poi dell'estrapolazione al mondo “nano”.
A titolo di esempio, si osservi una formica che trasporta una briciola e si pensi al rapporto fra la sua massa e la massa della briciola stessa. Potremmo dedurre che un essere vivente (in questo caso un insetto) è sempre in grado di trasportare un oggetto avente anche 50 volte il suo peso. Proviamo poi ad applicare a un altro essere vivente la stessa deduzione: si potrebbe allora affermare che l'uomo possa trasportare un elefante? NO, naturalmente. Pertanto, non è difficile comprendere come un'esplorazione del mondo “nano” alla ricerca di “regole” (o di standard) non riesca a giovarsi in toto delle esperienze già conosciute operando su scale “macro” (o anche “micro”). Quindi si comprende come, nel caso del “giovane” Comitato IEC TC 113, la produzione di nuove norme tecniche stia avanzando passo-passo. Occorre infatti tenere conto dell'avanzamento delle nanotecnologie a livello di definizioni di base (nomenclatura) di oggetti e di processi, fino allo sviluppo di alcune applicazioni “industriali”: l'esperienza in tutti questi settori è “recente” e va formandosi “lentamente”. Questo avanzamento ha luogo sia nei settori elettrici/elettronici, sia, in generale, in qualsiasi materiale/processo che dipenda dall'interazione fra atomi o fra molecole.

Sovrapposizioni e domande
Dunque, potremmo chiederci se esistono relazioni dirette fra il mondo delle normative tecniche inerenti problematiche elettrostatiche (soprattutto nelle industrie elettroniche) ed emanate da “international bodies” come lo IEC TC 101 (“Electrostatics” rappresentato in Italia dal CEI CT 101) e il mondo delle normative tecniche emanate dallo IEC TC 113 (Nanotechnology standardization for electrical and electronic products and systems).
Per ora, l'area di sovrapposizione fra questi due mondi - nella cui membership sono presenti anche numerose industrie - è “a pelle di leopardo”. Spesso, nei due casi:
-    sono presenti industrie diverse,
-    dominano leggi fisiche diverse,
-    si fa riferimento a scenari di sviluppo e a settori applicativi molto diversi,
-    si deve fare riferimento a problematiche di sicurezza molto diverse.

È possibile sintetizzare, normative a parte, quali “novità” sono in arrivo oggi dal “nano mondo” verso il porto delle problematiche “elettrostatiche”?
Si possono formulare due tipi di risposte.

Risposte a breve respiro
Per esempio, la distanza fra piste che, due anni fa, per gli arrays era arrivata verso i 40 nm, potrebbe scendere, ancora, fino al 2013-2015, quando nuove tecnologie soppianteranno quelle CMOS o CMOS-compatibili. Altri esempi sono in arrivo, ma con dettagli che dipenderanno dalle roadmap (e dagli scenari) tracciate/i o implementate/i.

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