Il nuovo rivestimento antiruggine può raddoppiare la longevità e l'efficienza dei semiconduttori 2D.
I ricercatori della Penn State University (Stati Uniti d'America) hanno recentemente annunciato di aver creato un rivestimento antiruggine che migliora la durata dei componenti elettronici. Infatti, proprio come la ruggine riduce la durata di component metallici, lo stesso accade nei semiconduttori bidimensionali (2D), con l'ossidazione che può rovinare i materiali che controllano il flusso elettrico.
“Uno dei maggiori problemi che vediamo nella ricerca sui semiconduttori 2D in questi giorni è il fatto che i materiali si ossidano rapidamente. È necessario garantire la loro affidabilità a lungo termine, perché sono utilizzati in transistor o sensori che dovrebbero durare anni. Al momento, questi materiali non durano più di una settimana all'aperto”, ha affermato Joshua Robinson, professore di scienza e ingegneria dei materiali e co-autore dello studio.
I materiali bidimensionali sono ultrasottili, ovvero spessi solo uno o pochi atomi. Sono quindi molto promettenti per i semiconduttori avanzati, perché la loro sottigliezza fornisce un percorso più breve e diretto per gli elettroni, che su muovono così più rapidamente attraverso il materiale – restituendo prestazioni elettroniche più rapide ed efficienti.
I metodi tradizionali per proteggere questi materiali dalla ruggine prevedono l'uso di rivestimenti a base di ossido, ma questi processi spesso utilizzano acqua, che può accelerare l'ossidazione che dovrebbero prevenire. I ricercatori hanno affrontato questo problema cercando un materiale e un metodo di rivestimento che evitassero completamente l'uso di acqua: nitruro di boro amorfo (a-BN).
“Volevamo smettere di usare l'acqua nel processo, quindi abbiamo iniziato a pensare quali tipi di materiali bidimensionali potevamo realizzare: uno di questi è il nitruro di boro amorfo, poiché la sua elevata rigidità dielettrica è paragonabile ai migliori dielettrici disponibili e non abbiamo bisogno di acqua per realizzarlo. Ciò che abbiamo dimostrato nel documento è che l'inclusione del nitruro di boro amorfo produce prestazioni del dispositivo migliorate rispetto ai soli dielettrici convenzionali”, ha spiegato Robinson.
La forma non cristallina di nitruro di boro è nota per la sua elevata stabilità termica e le proprietà di isolamento elettrico. È perciò ideale per isolare i componenti, prevenire correnti elettriche indesiderate e migliorare le prestazioni di un semiconduttore. Mentre il rivestimento ha contribuito a produrre un transistor bidimensionale migliore, l’applicazione del rivestimento sui materiali 2D si è però rivelata una sfida complessa.
“I materiali bidimensionali sono privi di legami pendenti, che sono elettroni spaiati sulla superficie di un materiale che reagiscono o si legano ad altri atomi. Un processo standard in un unico passaggio che utilizza temperature più elevate per rivestire i materiali ha prodotto rivestimenti irregolari e discontinui, ben al di sotto della qualità di cui l'elettronica ha bisogno per funzionare correttamente”, ha aggiunto Robinson.
Al fine di rivestire uniformemente i materiali bidimensionali il nitruro di boro amorfo, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo di deposizione atomica in due fasi, che prevede l’applicazione di un sottile strato di a-BN a bassa temperatura prima di riscaldare la camera a temperature comprese tra 250 e 300 °C. Questo metodo ha consentito ai ricercatori di produrre un rivestimento uniforme di a-BN su semiconduttori 2D, migliorando al contempo le prestazioni dei transistor dal 30% al 100% rispetto ai dispositivi che non utilizzano a-BN.
“Quando si inseriscono semiconduttori 2D tra il nitruro di boro amorfo, si ottiene comunque una ‘strada elettronica’ più liscia. Gli elettroni possono passare più velocemente attraverso il materiale bidimensionale di quanto potrebbero se fossero tra altri materiali dielettrici”, ha concluso Joshua Robinson.