L’elettronica si fa “nano”

NANOTECNOLOGIE –

I futuri dispositivi di elaborazione dell’informazione saranno probabilmente basati sul carbonio e sulla meccanica quantistica. La marcia verso la “nanoelettronica” vede l’impegno diretto di molti importanti produttori di chip.

Il rapporto tra nanotecnologie ed elettronica diventa sempre più stretto e assumerà probabilmente un'importanza determinante nel prossimo decennio. Questa facile previsione, che raccoglie ormai un consenso generalizzato, merita però qualche approfondimento: cosa si intende esattamente per nanotecnologie? Quali, tra le tante innovazioni nanotecnologiche, sono o saranno realmente utili allo sviluppo dell'elettronica? Il termine “nanotecnologie” copre una grande varietà di filoni di ricerca molto diversi tra loro, accomunati unicamente dalle dimensioni massime delle strutture studiate: 100 nanometri. Il criterio dimensionale, tuttavia, non è sufficiente a definire in modo netto il campo degli studi: ad esempio, gli odierni dispositivi microelettronici sono basati su strutture dell'ordine delle decine di nanometri, ma il loro funzionamento non ha niente di “nanotecnologico” poiché sfrutta gli stessi fenomeni fisici utilizzati anche a geometrie molto più grandi. Le “vere” nanotecnologie sfruttano invece fenomeni fisici particolari che si manifestano unicamente in particolari strutture di dimensioni nanometriche. Per alcuni di tali fenomeni la “specificità nanometrica” si deve al rapporto superficie/volume tipico delle nanoparticelle, che rende queste ultime molto sensibili alle tensioni superficiali, alle forze di Van der Wals e ai fenomeni quantistici. È questo il motivo per cui, sminuzzando a oltranza un determinato materiale, si ottengono a un certo punto comportamenti del tutto nuovi. Tra gli esempi che vengono spesso citati a questo proposito sono compresi i seguenti: sostanze opache divengono trasparenti (il rame); materiali stabili divengono combustibili (l'alluminio); i solidi diventano liquidi a temperatura ambiente (l'oro). In realtà, però, alcuni dei più importanti materiali nanotecnologici non hanno nulla a che fare con il concetto sopra esposto: è il caso dei nanotubi di carbonio e del grafene (vedi oltre), strutture complesse che non possono essere prodotte per semplice frantumazione.

La nanoelettronica
Molte delle odierne applicazioni industriali delle nanotecnologie riguardano l'impiego di nanoparticelle in settori riconducibili alla chimica o alla scienza dei materiali: vernici, ceramiche, leghe ecc. Per evitare confusioni con quest'area, che ha poco a che fare con l'elettronica, in questo articolo ci concentreremo unicamente sulla “nanoelettronica”, prendendo come riferimento la Nanoelectronics Research Initiative statunitense. Si tratta di un'impresa particolarmente rappresentativa, in virtù del numero e dell'importanza dei soggetti partecipanti, anche se non vanno sottovalutate le attività di ricerca svolte in Europa e nelle università italiane. La Nanoelectronics Research Initiative è nata nell'ambito della Semiconductor Research Corporation, un'organizzazione creata per facilitare la collaborazione tra i membri della Semiconductor Industry Association e le università statunitensi. NRI può contare sul sostegno di sei grandi industrie (Global Foundries, Advanced Micro Devices, Ibm, Intel, Texas Instruments, Micron Technology) e sta finanziando ricerche condotte da oltre trenta università statunitensi. L'iniziativa non si propone soltanto di ridurre ulteriormente le dimensioni dei dispositivi, ma anche di superare i limiti della tecnologia Cmos individuando il “commutatore del futuro” (“the next switch”). Il principale problema da risolvere riguarda la densità di potenza e quindi la dissipazione termica. A parità di tensione di alimentazione, infatti, la riduzione delle geometrie nei chip Cmos consente di diminuire il consumo del singolo transistor, ma lascia invariata la dissipazione di calore per unità di superficie del die. Da questo punto di vista il margine di miglioramento offerto dalla tecnologia Cmos è ormai esaurito, poiché il consumo dei dispositivi in modalità attiva è legato alla tensione di alimentazione e quest'ultima non può scendere al di sotto di un certo limite. NRI segue cinque principali filoni di ricerca: nuovi dispositivi caratterizzati da nuove modalità di rappresentazione degli stati logici; nuove interconnessioni che consentano di trasferire l'informazione senza spostare cariche elettriche; nuovi metodi di calcolo basati su sistemi in non-equilibrio, come ad esempio gli automi cellulari (vedi oltre); nuovi metodi di gestione termica, tramite il trattamento su scala nanometrica dei “fononi” (in virtù del dualismo onda-particella tipico della meccanica quantistica, un fonone è la particella corrispondente alla vibrazione che costituisce il calore); e infine nuovi metodi di fabbricazione, come l'autoassemblaggio (una proprietà che caratterizza alcune molecole). Nel tentativo di delimitare una materia così vasta come il rapporto tra nanotecnologie ed elettronica, questo articolo prenderà in considerazione soltanto cinque temi particolarmente rappresentativi: nanotubi di carbonio, grafene, quantum dot, spintronica, nanoparticelle. Per ciascuno di questi temi verrà fornita un semplicissima definizione (in termini molto approssimativi dal punto di vista della teoria fisica), un richiamo alle ricerche di NRI e alcuni esempi applicativi industriali (se esistenti).

I nanotubi di carbonio
I nanotubi di carbonio o Cnt (Carbon NanoTube) sono molecole di forma tubolare, del diametro di un nanometro circa, la cui parete è costituita da atomi di carbonio organizzati in maglie esagonali. Sono dotati di eccezionale resistenza meccanica alla trazione, altissima mobilità dei portatori di carica e ottima conducibilità termica. I nanotubi di carbonio sono al centro di moltissime ricerche volte alla fabbricazione di dispositivi elettronici, interconnessioni ecc. Nell'ambito di NRI, queste molecole saranno utilizzate per realizzare transistor a modulazione quantica. Tra le applicazioni dei Cnt già sviluppate industrialmente è compresa la tecnologia di memoria Nram (Nano-Ram), sviluppata dalla società Nantero, che si basa sullo spostamento meccanico di nanotubi in carbonio depositati su un chip. Una cella di memoria Nram è costituita da un certo numero di nanotubi “sospesi” a brevissima distanza da un elettrodo. L'applicazione di un determinato valore di tensione fa sì che i Cnt si estendano fino a toccare l'elettrodo, provocando così una diminuzione della resistenza sul percorso del segnale. Entrambi gli stati meccanici sono stabili anche in assenza di tensione, poiché il primo corrisponde allo stato di riposo della struttura, mentre nel secondo agisce l'effetto delle interazioni di Van der Waals (una debole attrazione dovuta alla presenza di molecole polarizzate) che mantiene i Cnt attaccati all'elettrodo. Un'altra applicazione riguardante l'elettronica - certamente molto meno sofisticata - consiste nell'impiego di pellicole composte di nanotubi in carbonio, utilizzate per proteggere i normali display e gli schermi tattili. Le pellicole di nanotubi possiedono infatti proprietà migliori rispetto ai film Ito (Indium Tin Oxide), pur essendo meno costose. Tra le società che fabbricano prodotti di questo tipo sono comprese Eikos, Nanofilm e Unidym. Quest'ultima sfrutta i film di nanotubi anche per la realizzazione di elettrodi per i display Lcd, in collaborazione con Samsung e LG. Sempre Unidym propone i nanotubi di carbonio anche come materiale di interfaccia termica tra un dispositivo elettronico e la relativa aletta di dissipazione. La soluzione si basa su un substrato di rame su cui sono fissati numerosissimi nanotubi, in modo analogo alle setole di una spazzola. Secondo il produttore, questo materiale offre un'impedenza termica pari a quella dell'indio ma a costi sensibilmente inferiori.

Il grafene
Il grafene è un materiale costituito da uno strato di carbonio dello spessore di un solo atomo e caratterizzato da una struttura a maglie esagonali. In altri termini, è analogo alla parete di un nanotubo di carbonio, distesa su un piano. Il grafene possiede proprietà elettriche molto particolari: può infatti condurre sia gli elettroni sia le lacune ed è in assoluto, insieme ai Cnt, il materiale caratterizzato dalla maggiore mobilità intrinseca dei portatori di carica a temperatura ambiente. Rispetto ai nanotubi (che sono praticamente monodimensionali) offre inoltre il vantaggio della struttura bidimensionale; può quindi essere utilizzato per realizzare anche canali relativamente larghi, capaci di sopportare correnti significative. La sua struttura planare, infine, è compatibile con i processi Cmos. Il grafene è al centro di moltissime ricerche; la Nanoelectronics Research Initiative lo sta utilizzando per la realizzazione di nuovi dispositivi come i BiSfet (Bi-layer pseudoSpin Fet). Una delle società più attive nel campo della sperimentazione su questo materiale è Ibm, che ha recentemente fabbricato transistor in grafene caratterizzati da una frequenza di taglio di 26 GHz.

I quantum dot
I quantum dot sono nanocristalli di semiconduttori di dimensioni inferiori rispetto al “raggio di Bohr” tipico del materiale che li compone. Sono pertanto caratterizzati da uno stato di “confinamento quantistico” delle coppie elettrone-lacuna, che conferisce ad essi proprietà molto particolari, come la possibilità di “sintonizzare” la banda delle frequenze elettromagnetiche emesse e assorbite semplicemente controllando le dimensioni del cristallo. Anche i quantum dot sono al centro di numerose ricerche, tra cui quelle rivolte a un loro possibile impiego come elementi costruttivi degli “automi cellulari”. Questi ultimi sono sistemi di elaborazione dell'informazione basati su una griglia di celle, ciascuna delle quali può assumere un numero finito di stati determinato dalle celle adiacenti. Uno dei filoni di ricerca perseguiti da Nri relativamente ai quantum dot riguarda la loro integrazione epitassiale su silicio. Tra le società che hanno già iniziato a sfruttare industrialmente le proprietà di questi nanocristalli sono comprese Nanosys ed Evident Technologies. Nanosys possiede una tecnologia per fabbricare Led basati su quantum dot e inoltre collabora con Intel, Micron, Hynix e altre società per lo sviluppo di particolari memorie Flash. Anche Evident Technologies realizza Led basati su quantum dot, che possono essere progettati per emettere tonalità di colore molto particolari. La società ha inoltre messo a punto un processo per mantenere inalterate le proprietà di confinamento quantistico dei singoli nanocristalli anche quando questi vengono ammassati in gran numero in un materiale “bulk”. Ciò consente di fabbricare dispositivi a semiconduttore tramite un semplice processo di stampa ink-jet, spruzzando sul substrato un inchiostro che contiene quantum dot in sospensione. Dopo essere stati “stampati” in questo modo, i nanocristalli assumono spontaneamente un'organizzazione ordinata grazie alle loro proprietà di autoassemblaggio. In linea di principio questa tecnologia può essere utilizzata per realizzare qualunque dispositivo a semiconduttore; le applicazioni maggiormente studiate da Evident riguardano però i dispositivi termoelettrici, che trasformano una differenza di temperatura in energia elettrica o viceversa. Nei componenti messi a punto da Evident l'efficienza di questa conversione può essere fino a sette volte maggiore rispetto alle tecnologie tradizionali.

La spintronica
In termini estremamente semplici, si può dire che la tecnologia spintronica (termine derivante da “spin”, il momento angolare degli elettroni studiato dalla meccanica quantistica) sfrutti la capacità degli elettroni di influenzare magneticamente un materiale. Uno dei fenomeni che rientrano in questo campo di studi è la “magnetoresistenza gigante” o Gmr (Giant magnetoresistance), effetto quantistico che provoca la diminuzione della resistenza elettrica di un materiale in presenza di un campo magnetico. Nella sua forma più avanzata, la spintronica persegue anche la possibilità di associare l'informazione allo spin degli elettroni (che può assumere due soli valori), anziché alla carica elettrica. La spintronica si avvale anche dei materiali multiferroici, appartenenti perlopiù al gruppo delle perovskiti e degli ossidi dei metalli di transizione, che sono caratterizzati dal possesso di molteplici proprietà ferroiche. Le proprietà ferroiche primarie sono ferromagnetismo, ferroelettricità, ferroelasticità e ferrotoroidicità. Un materiale multiferroico è, ad esempio, sia ferromagnetico che ferroelettrico. Molte delle attività di NRI toccano direttamente o indirettamente la spintronica; tra i progetti finanziati dall'iniziativa sono infatti comprese ricerche riguardanti i dispositivi spin wave, i dispositivi Aspl (All-Spin Logic), la pseudospintronica, le proprietà dei materiali multiferroici, i dispositivi “non-charge based” (cioè basati su meccanismi diversi dallo spostamento di cariche elettriche), gli automi magnetici ad array riconfigurabile o Rama (Reconfigurable Array Magnetic Automata), gli Spin-Fet in MnGe. Alcuni prodotti basati sulla spintronica sono già entrati nell'uso comune: è il caso delle testine di lettura impiegate nei moderni dischi rigidi, basate sul citato effetto della “magnetoresistenza gigante”. In sintesi la magnetizzazione del disco (che rappresenta un valore 0 oppure 1) altera la resistenza del sensore di lettura. Altre applicazioni industriali di questa tecnologia riguardano le nuove memorie Mram e Racetrack. La Mram (Magnetoresistive Ram) impiega una cella costituita da due elementi di materiale ferromagnetico separati da uno strato isolante. Uno dei due elementi è magnetizzato in modo permanente, mentre la magnetizzazione dell'altro viene determinata tramite l'operazione di scrittura. L'informazione, pertanto, è immagazzinata in forma magnetica ma la lettura avviene rilevando la resistenza della cella, che cambia a seconda della relazione tra gli orientamenti dei due campi (“effetto tunnel magnetico”). Nella versione più moderna della Mram l'operazione di scrittura è effettuata tramite la tecnica “spin torque transfer” (STT), nella quale una corrente di elettroni “polarizzati magneticamente” trasferisce il proprio “spin” all'elemento magnetico libero. Uno degli specialisti della tecnica STT è la società Grandis. Nella Racetrack Memory sviluppata da Ibm l'elemento base è costituito da un filo di permalloy del diametro di cento nanometri, accanto al quale solo collocate microscopiche testine di scrittura-lettura. Il filo è magnetizzato secondo un pattern che può rappresentare numerosi bit (fino a 128) e che viene fatto scorrere tramite una corrente di elettroni con spin coerente.

Nanoparticelle
Una delle nanotecnologie più “semplici”, se così si può dire, è rappresentata dalle nanoparticelle (di vari materiali), che esibiscono proprietà particolari principalmente in virtù del loro rapporto superficie/volume. Da tempo le nanoparticelle vengono utilizzate industrialmente per migliorare le prestazioni delle batterie a ioni di litio. Tra gli esempi di questa applicazione sono compresi prodotti di Toshiba e di Altair Nanotechnologies. La batteria Toshiba in questione si ricarica in un minuto, grazie all'impiego di nanoparticelle nel catodo che evitano la riduzione dell'elettrolita liquido. Le nanoparticelle, infatti, sono in grado di assorbire rapidamente grandi quantità di ioni di litio, senza deteriorare l'elettrodo. Analogamente, la batteria NanoSafe di Altair  sopporta 9000 cicli di carica e scarica (invece di 750) grazie a un catodo che impiega nano-titanato al posto della grafite. A differenza di quest'ultimo materiale, infatti, il nano-titatano è in grado di sopportare l'ingresso e dell'uscita degli ioni senza subire stress e quindi senza deteriorarsi. Le batterie di Altair trovano applicazione anche in alcuni veicoli elettrici prodotti negli Usa.

Sistemi nanoelettromeccanici e nanosensori

La spinta verso dimensioni nanometriche riguarda ovviamente anche il settore dei dispositivi Mems (Micro ElectroMechanical Systems), che in futuro saranno affiancati dai Nems (Nano ElectroMechanical Systems). Si può tuttavia ipotizzare che i Nems non saranno versioni miniaturizzate degli odierni Mems, almeno non nel caso degli accelerometri. I costruttori di quest'ultimo tipo di dispositivi, infatti, ritengono che non sia possibile ridurre di molto le loro dimensioni, poiché la misura dell'accelerazione richiede un elemento mobile dotato di massa significativa. Ancora più difficile (anzi, impossibile secondo alcuni studiosi) sarebbe la realizzazione di nanoruote, nanomotori ecc, poiché oggetti di massa così piccola non potrebbero essere manipolati (rimarrebbero attaccati ai manipolatori per effetto delle tensioni superficiali) e non potrebbero funzionare (sarebbero sopraffatti dagli attriti). In effetti le attuali iniziative nel campo dei Nems sembrano essere orientate soprattutto alla produzione di sensori per il rilevamento di sostanze: è il caso della “Alliance for Nanosystem Vlsi” formata da Caltech e dall'istituto francese Leti. Le ricerche riguardano il rilevamento di gas in concentrazioni sub-ppb (meno di una parte per miliardo), la spettroscopia di massa a singola molecola, la microfluidica. La scala Vlsi consente di produrre oltre 3,5 milioni di Nems in un singolo wafer, con processi compatibili con la tecnologia Cmos.

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