Il mondo dell’infinitamente piccolo

NANOTECNOLOGIE –

Al di là degli entusiasmi, le nanotecnologie offrono reali potenzialità di innovazione virtualmente in qualsiasi settore, e soprattutto nel campo dell’elettronica.

I dispositivi nanotecnologici hanno già iniziato ad apparire in prodotti commerciali, forse un po' in sordina, a dispetto di una percezione comune delle nanotecnologie come qualcosa relativo a un futuro remoto. Di recente è stato pubblicato, da parte del centro di ricerca statunitense Woodrow Wilson Center, il primo “inventario” dei prodotti nanotecnologici già presenti sul mercato mondiale. Essi sono più di 200 e fanno riferimento soprattutto ai settori dei cosmetici, degli articoli sportivi, dell'abbigliamento, dell'elettronica e dell'automotive.
Dai dispositivi elettronici consumer come gli iPod, che integrano memorie flash realizzate in un processo submicrometrico, alle creme antirughe al fullerene C60, che ha ottime proprietà anti-ossidanti ed è usata dalle star di Hollywood, le nanotecnologie stanno già gradualmente impattando sui settori più disparati. Fra le applicazioni potenziali delle nanotecnologie, la nanoelettronica risulta ai primi posti, assieme alla medicina e farmaceutica. Le nanotecnologie consentiranno alla microelettronica di raggiungere nel breve termine livelli spinti di miniaturizzazione senza sacrificare le prestazioni, oltre a garantire una maggiore efficienza e consumi più ridotti per i dispositivi per l'elaborazione e l'immagazzinamento dei dati, i display, i Led, i sensori e attuatori intelligenti, le fuel cell o i pannelli solari. Anche le batterie tradizionali potrebbero avere un'efficienza notevolmente superiore grazie all'uso di materiali nanostrutturati.
È significativo il fatto che il francese Albert Fert e il tedesco Peter Gruenberg abbiano vinto il premio Nobel per la Fisica del 2007. I due scienziati hanno scoperto l'effetto della magnetoresistenza gigante, oggi sfruttato per la realizzazione di hard disk ad elevata capienza. Questa rappresenta una scoperta molto importante nel campo delle nanotecnologie, che ha avuto importanti ricadute commerciali nel giro di pochi anni. La decisione di assegnare il Nobel a questi due fisici ha al tempo stesso sancito l'importanza strategica delle nanotecnologie per la società, e ha premiato la ricerca Europea.
Quasi tutti i principali Paesi nel mondo, tra cui Stati Uniti, Giappone, la Comunità Europea, Corea del Sud, Cina, e India, hanno in corso programmi pluriennali (da 5 a 10 anni) dedicati esclusivamente allo sviluppo delle nanotecnologie, considerati strategici per lo sviluppo dell'economia.
L'interesse crescente per le nanotecnologie è testimoniato anche dal grande successo che riscuotono le fiere dedicate al tema, come l'EuroNanoForum 2007, che si è tenuto a Düsseldorf in Germania lo scorso giugno, ed è giunto ormai alla decima edizione e, in Italia, la terza edizione del Nanoforum 2007, che si è tenuto lo scorso settembre presso il Politecnico di Milano.

Enormi promesse, anche commerciali
Secondo una stima realistica compiuta dalla società di analisi Bcc Research, il mercato relativo alle nanotecnologie varrà oltre 25 miliardi di dollari entro il 2011. Nel 2006 valeva circa 10,5 miliardi di dollari. La cifra riguarda sia i nuovi materiali, sia i tool nanolitografici, sia i dispositivi nanoelettronici. Nel 2005, i nanomateriali riguardavano l'86% del fatturato totale; gli strumenti il 10% del mercato mentre i nanodispositivi rappresentavano il restante 4%. I “nanotool”, che comprendono gli apparecchi utilizzati nella fabbricazione dei dispositivi su semiconduttore di prossima generazione, saranno soggetti a una crescita molto più rapida rispetto agli altri segmenti di mercato fino a rappresentare il 30% del totale nel 2011. Inoltre, nel 2005 il 33% del mercato complessivo era relativo alle soluzioni per i trattamenti ecologici, il 24% riguarda i dispositivi elettronici, il 15% la generazione dell'energia e il 5% le applicazioni biomedicali. Le soluzioni elettroniche e biomedicali saranno soggette ai tassi di crescita più alti nei prossimi 5 anni. Nel 2011 i dispositivi nanoelettronici rappresenteranno infatti oltre il 50% del mercato complessivo e quelli medicali l'8%.
Le nanotecnologie offrono quindi promesse enormi: dopo il 2015 potrebbero costituire un mercato potenziale anche 5 volte più grande rispetto a quello dei semiconduttori.
Tuttavia, come per tutte le tecnologie emergenti, per farle “decollare” occorrono strumenti e tecniche di misura e di test per garantire l'affidabilità sul lungo termine, tool software di modellizzazione ad hoc, processi di fabbricazione a basso costo e altamente riproducibili, e soprattutto degli standard internazionali.

Le applicazioni di oggi e quelle di domani
Le nanotecnologie, per definizione, riguardano dispositivi e componenti con dimensioni al di sotto dei 100 nm. Con il nodo tecnologico da 65 nm, che offre la possibilità di integrare più di un miliardo di transistor per chip, il comportamento dei circuiti integrati è entrato ormai a far parte del mondo delle nanotecnologie. La Sia (Semiconductor Industry Association), ha infatti definito il 2007 come l'anno “ufficiale” di inizio dell'era delle nanotecnologie.
Le prime applicazioni delle nanotecnologie hanno fatto ingresso sul mercato nel 2001 sotto forma di metalli, polimeri, ceramiche e rivestimenti nanostrutturati. Esistono numerose applicazioni consumer che fanno uso delle nanotecnologie per migliorare le prestazioni di prodotti di uso comune. Alcune società, ad esempio, offrono tessuti repellenti alle macchie, trattati con nanofilamenti del diametro di 10 fino a 100 nanometri. Dal 2001, Toyota ha iniziato a usare nanocomposti per realizzare paraurti più leggeri del 60% e due volte più resistenti a deformazioni e graffi. Le palline da tennis di Wilson Double Core sono dotate di un rivestimento nanocomposto che le fa rimbalzare due volte più a lungo rispetto a una pallina tradizionale. O ancora, la società Londinese Smith & Nephew commercializza da alcuni anni un abito antimicrobico, ricoperto di argento nanocristallino, in grado di uccidere qualsiasi tipo di batteri nel giro di mezz'ora.
Le tecnologie microelettroniche, in particolare, sotto la spinta delle nanotecnologie, subiranno un enorme sviluppo. Diverse società, centri di ricerca e realtà accademiche, in tutto il mondo sono impegnate nella ricerca sulle tecnologie post-Cmos di tipo sia “More Moore”, ossia ai dispositivi in geometria da 32 nm e successivi, in base alle specifiche fissate dall'Itrs (International Technology Roadmap for Semiconductors), sia “More than Moore”, relativa cioè alla realizzazione di sistemi eterogenei complessi. Gli scopi includono lo sviluppo di un nuovo componente elettronico in grado di sostituire il convenzionale transistor Fet Cmos al di là del 2020.
Queste organizzazioni includono, in Europa, la piattaforma Eniac (European Nanoelectronics Initiative Advisory Council), coordinata da STMicroelectronics, cui partecipano grandi realtà come NXP, Infineon, Thomson e Thales, nonché importanti centri di ricerca quali l'Imec come pure diverse Pmi. Negli Stati Uniti, l'Src (Semiconductor Research Corp) e il Nist (National Institute of Standards and Technology) coordinano una rete di università, centri di ricerca e aziende, fra cui Amd, Freescale Semiconductor, Ibm, Intel, Micron Technology e Texas Instruments.
I recenti sviluppi delle nanotecnologie consentiranno, nel breve termine, di usare materiali con caratteristiche migliori, ad esempio, nuovi dielettrici ad alto K, in grado di garantire livelli di miniaturizzazione più spinti; nuovi processi, di tipo Soi (Silicon On Insulator), o basati su composti silicio-germanio detti strained silicon), oppure dispositivi Mos ultrascalati. Alcune stime recenti valutano che non dovrebbero essere necessari cambiamenti drastici dei tradizionali processi microelettronici fino ad arrivare a realizzare transistor con una lunghezza di canale di 10 nm di lunghezza. Recenti proiezioni dell'Itrs stimano che queste dimensioni potrebbero essere raggiunte nel 2015, mentre la comparsa di nanotecnologie radicalmente nuove per applicazioni commerciali è prevista dopo il 2020.
STMicroelectronics e Ibm, impegnate tra l'altro nella ricerca a lungo termine sulle nanotecnologie in collaborazione con l'istituto francese Cea Leti, hanno siglato di recente un accordo per la collaborazione nello sviluppo delle generazioni di processo da 32 e da 22 nanometri, sfruttando gli impianti da 300 mm di Crolles e della Common Platform (costituita da Ibm, Chartered e Samsung) a East Fishkill, negli Stati Uniti, a Singapore e nella Corea del Sud.
Samsung ha annunciato il primo dispositivo di memoria flash Nand multilivello da 64 GBit realizzato in tecnologia da 30 nm grazie a un nuovo processo tecnologico detto SaDPT (Self-Aligned Double Patterning Technology), il quale introduce alcune modifiche sostanziali rispetto all'architettura delle memorie flash a intrappolamento di carica. Combinando un massimo di 16 dispositivi, che saranno commercializzati a partire dal 2009, sarà possibile ottenere una capacità da 128 Gbyte, in grado di memorizzare fino a 80 film con qualità Dvd e 32.000 file musicali MP3. I dispositivi di memoria sono stati realizzati
L'approccio top-down, usato per la realizzazione dei dispositivi microelettronici, e basato sul processo di miniaturizzazione, come ben noto, sta diventando sempre più oneroso. Il costo delle maschere, delle infrastrutture e del software di modellizzazione e di simulazione sta crescendo esponenzialmente, tanto che ormai solo le principali aziende nel settore e le silicon foundry sono in grado di gestire la fabbricazione di wafer nei processi Cmos di ultima generazione.
Un altro approccio più “radicale” alle nanotecnologie è invece quello cosiddetto “bottom up” secondo il quale, partendo da piccoli componenti, normalmente molecole, si cerca di controllarne/ o indirizzarne l'assemblaggio, utilizzandoli come “building block” per realizzare nanostrutture, sia di tipo inorganico che organico/biologico. In teoria la realizzazione di dispositivi nanometrici “bottom-up”, che attualmente ha prezzi esorbitanti, potrebbe diventare via via meno costosa con la produzione in volumi, sfruttando le economie di scala e le curve di apprendimento nelle tecniche di assemblaggio su scala nanometrica.
La visualizzazione, la caratterizzazione e la manipolazione di materiali e dispositivi su scala nanometrica richiedono tecniche quantitative e di imaging molto sofisticate, con risoluzioni spaziali che vanno dal micron fin sotto il livello molecolare.
Gli strumenti usati per operare su scala nanometrica includono i microscopi a scansione elettronica (Sem, Scanning Electron Microscopy) e a trasmissione elettronica (Tem, Transmission Electron Microscopy) e le sonde di scansione (Spm, Scanning Probe Microscopy), le quali consentono visualizzazioni bi- e tridimensionali di strutture a nanoscala; le tecniche di riflessione da diffrazione di elettroni ad alta energia (Rheed, Reflection High Energy Electron Diffraction) e i micromanipolatori.

Semiconduttori e nanotecnologie
È già in corso la realizzazione di dispositivi su semiconduttore, come Cpu, memorie, sensori o display con materiali non classici.
Le nanotecnologie consentiranno di migliorare ulteriormente le prestazioni dei dispositivi microelettronici anche quando il processo Cmos tradizionale si scontrerà con i suoi limiti fisici.
I ricercatori prevedono di ottenere densità superiori di integrazione nei circuiti integrati dopo il 2020, riducendo le tensioni operative dei transistor e realizzando dispositivi Fet di tipo “ibrido”, che combinano cioè la tecnologia Mos tradizionale con nanocristalli, nanotubi e nanofili, sfruttando le proprietà elettriche, meccaniche e chimiche di questi ultimi. I nanotubi al carbonio, in particolare, mostrano una resistenza anche 1000 volte superiore a quella dell'acciaio, pur essendo flessibili; trasportano calore due volte meglio del diamante (il migliore conduttore termico conosciuto); offrono una conducibilità superiore di tre ordini di grandezza rispetto al rame e 70 volte più alta rispetto a quella del silicio standard.
Le celle fotovoltaiche realizzate in silicio nanocristallino stampato offrono efficienze anche doppie rispetto alle celle convenzionali. Entro il 2015, le celle solari simili riguarderanno un giro d'affari da 245 milioni di dollari.
I Mems e i Nems (Nano Electro Mechanical Systems) rivoluzioneranno le misurazioni di spostamenti e di forze estremamente piccoli e deboli tipici della scala molecolare. Avranno importanti applicazioni in campo medicale come dispositivi non invasivi per il rilascio controllato dei farmaci, o per il controllo di protesi complesse o, nel campo dell'elettronica, nella realizzazione di sistemi di energy scavenging, in grado di prelevare energia dall'ambiente circostante per pilotare sensori, attuatori e antenne RF.
Dei sottili film ai nanotubi al carbonio consentiranno a breve di realizzare touch screen ultra resistenti per apparecchi consumer. La società californiana Unidym, specializzata nella realizzazione di prodotti ad alte prestazioni e a basso costo basati sulle nanotecnologie, intende sostituire con i nanotubi gli strati in ossido metallico (come l'Ito, Indium Tin Oxide) comunemente usati nella realizzazione di display, Oled e celle solari a film sottile. La società ha avviato lo scorso Aprile una cooperazione con la società giapponese Touch Panel Laboratories, al fine di sviluppare display touchscreen per le console Nintendo. La società californiana ha anche stretto accordi con altre società per la produzione di pannelli fotovoltaici, display Lcd e dispositivi medicali basati sui nanotubi al carbonio.
Le memorie a semiconduttore dovrebbero essere i primi beneficiari dei progressi nelle nanotecnologie. Dispositivi di memoria a gate flottante nanocristallino offrono densità notevolmente superiori e consumi più ridotti rispetto alle flash convenzionali. La società di analisi Nanomarkets prevede che il giro d'affari relativo alle memorie realizzate in materiali nanostrutturati varrà 1,4 miliardi di dollari nel 2008 e 7 miliardi di dollari nel 2010. Si stanno anche compiendo ricerche sull'impiego dei nanotubi di carbonio per poter costruire memorie con capacità fino a 1 Terabit. Anche le memorie alternative alle tradizionali flash, anch'esse classificate nell'ambito delle nanotecnologie, riguarderanno un giro d'affari significativo.
Il mercato relativo alle Mram raggiungerà i 1,5 miliardi di dollari nel 2010, mentre quello relativo alle memorie ovoniche varrà 877 milioni di dollari. Diverse società come Intel, STMicroelectronics (che hanno costituito di recente una joint venture, Numonyx), Freescale, Micron e Samsung sono attive nello sviluppo di memorie di questo tipo.
Un altro esempio di nanomemoria è la “Millipede”, realizzata nei laboratori Ibm di Zurigo, una rivisitazione in chiave nanotecnologica delle vecchie schede perforate, le cui celle sono costituite solo da fori più piccoli di un nanometro ricavati su un sottilissimo foglio di materiale plastico. I ricercatori Ibm hanno realizzato dei prototipi funzionanti di un dispositivo Millipede in grado di memorizzare quasi 2 Gigabyte in un'area di 3 millimetri quadri, 20 volte di più di qualsiasi hard disk.
I laboratori svizzeri di Ibmhanno anche messo a punto un processo di stampa con una risoluzione pari a 60 nm, pari a una risoluzione di 100.000 dpi. A titolo di confronto la massima risoluzione delle stampanti di oggi è di 1500 dpi. Il processo potrà essere usato per la fabbricazione in massa di nanodispositivi a basso costo.

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