I ricercatori del Los Alamos National Laboratory e i loro collaboratori dell’Università della California, Irvine, hanno creato blocchi elettronici fondamentali da minuscole strutture note come punti quantici e li hanno usati per assemblare circuiti logici funzionali. Questa innovazione promette un approccio più economico e di facile produzione di transistor. Questi potranno essere fabbricati in un laboratorio di chimica tramite tecniche semplici e basate su soluzioni. In tal modo si potranno offrire componenti a lungo ricercati per una serie di dispositivi innovativi.

Superare i transistor a silicio

“Le potenziali applicazioni del nuovo approccio ai dispositivi elettronici basati su punti quantici non tossici includono circuiti stampabili, display flessibili, diagnostica lab-on-a-chip, dispositivi indossabili, test medici, impianti intelligenti e biometria”,

ha affermato Victor Klimov, autore principale di questo lavoro pubblicato su Nature Communications.

Per decenni, la microelettronica ha fatto affidamento sul silicio ad altissima purezza elaborato in un ambiente sterile appositamente creato. Recentemente, la microelettronica a base di silicio è stata messa alla prova da diverse tecnologie alternative che consentono di fabbricare circuiti elettronici complessi, tramite tecniche chimiche poco costose e facilmente accessibili. Le nanoparticelle di semiconduttore colloidale realizzate con metodi chimici in ambienti molto meno rigorosi sono una di queste tecnologie emergenti. A causa delle loro piccole dimensioni e delle proprietà uniche controllate direttamente dalla meccanica quantistica, queste particelle sono chiamate punti quantici.

Un quantum dot colloidale è costituito da un nucleo semiconduttore ricoperto di molecole organiche. Come risultato di questa natura ibrida, i quantum dot combinano i vantaggi di semiconduttori tradizionali ben conosciuti con la versatilità chimica dei sistemi molecolari. Queste proprietà sono interessanti per realizzare nuovi tipi di circuiti elettronici flessibili. Questi potrebbero essere stampati praticamente su qualsiasi superficie, inclusa plastica, carta e persino pelle umana. Questa capacità potrebbe avvantaggiare numerose aree, tra cui elettronica di consumo, sicurezza, segnaletica digitale e diagnostica medica.

Un elemento chiave della circuiteria elettronica è il transistor, che funge da interruttore di corrente elettrica attivato dalla tensione applicata. Di solito i transistor sono disponibili in coppie di dispositivi di tipo n/p che controllano rispettivamente i flussi di cariche elettriche negative e positive. Tali coppie di transistor complementari sono la pietra angolare della moderna tecnologia CMOS (complementary metal oxide semiconductor) alla base di microprocessori, chip di memoria, sensori di immagine e altri dispositivi elettronici.

Quantum dots e tossicità

I primi transistor a punti quantici sono stati dimostrati quasi due decenni fa. Tuttavia, l’integrazione di dispositivi complementari di tipo n e p nello stesso strato di quantum dots è rimasta una sfida di lunga data. Inoltre, la maggior parte degli sforzi in quest’area si è concentrata sui nanocristalli a base di piombo e cadmio. Questi elementi sono metalli pesanti altamente tossici, che limitano notevolmente l’utilità pratica dei dispositivi dimostrati.

Il team di ricercatori di Los Alamos e dei loro collaboratori dell’Università della California, Irvine, hanno ora dimostrato che utilizzando punti quantici di seleniuro di rame e indio (CuInSe2) privi di metalli pesanti sono stati in grado di affrontare il problema della tossicità e simultaneamente di ottenere una semplice integrazione di transistor  n/p nello stesso strato di quantum dots. Come prova dell’utilità pratica dell’approccio sviluppato, hanno creato circuiti funzionali che hanno eseguito operazioni logiche.

L’innovazione segnalata da Klimov e dai suoi colleghi nel loro nuovo articolo consente loro di definire transistor p/n applicando due diversi tipi di contatti metallici (rispettivamente oro e indio). Hanno completato i dispositivi depositando uno strato di punti quantici comune sopra i contatti preformati.

“Questo approccio consente l’integrazione diretta di un numero arbitrario di transistor di tipo p e n complementari nello stesso strato di punti quantici preparato come un film continuo, non modellato tramite rivestimento di spin standard”

ha detto Klimov.

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