Nanotubi di carbonio per dispositivi efficienti in termini energetici
Tali dispositivi elettronici avanzati richiedono tecnologie che forniscono fasci di elettroni. Un catodo con emissione per effetto di campo (o freddo) è un esempio di sorgente di elettroni, la quale può essere potenzialmente utilizzata per dispositivi elettronici a vuoto come lampadine a catodoluminescenza, schermi piatti, forni a microonde e tubi a raggi X. Nella ricerca di nuovi catodi in grado di produrre un intenso flusso di elettroni con esigenze di basso consumo energetico, i materiali di carbonio hanno attirato molta attenzione grazie alla loro straordinaria capacità di trasporto di corrente. Nell’ambito dei dispositivi miniaturizzati, i nanotubi di carbonio stanno sostituendo le strutture metalliche o i semiconduttori, i quali richiedono costose tecnologie microelettroniche. I catodi freddi composti di nanotubi di carbonio emettono elettroni quando viene applicato un campo elettrico. Uno straordinario miglioramento dell’emissione di elettroni avviene in risposta all’illuminazione tramite impulsi laser. Con l’iniziativa FANCEE (Fundamentals and applications of nano-carbon electron emitters), finanziata dall’UE, gli scienziati hanno studiato il modo in cui la struttura dei materiali composti da nanotubi di carbonio influenzi l’efficienza di emissione degli elettroni. Ciò ha permesso agli scienziati di sviluppare nuovi materiali in grado di migliorare le proprietà di emissione dei catodi e quindi le prestazioni dei dispositivi elettronici. Sono state inoltre prodotte pellicole ultra-sottili, realizzate in grafene o carbonio pirolitico. Queste possono essere utilizzate per vari dispositivi optoelettronici, quali diodi o celle fotovoltaiche e solari in grado di funzionare sia grazie alla luce sia per tensione applicata. Oltre alle pellicole grafitiche aventi varia morfologia, è stato prodotto un ago di diamante a cristallo singolo che può essere utilizzato come sorgente di elettroni nell’elettronica avanzata e nei dispositivi optoelettronici. Modificando la forma relativa alla sommità dell’ago di diamante, gli scienziati hanno creato una nuova classe di catodi FE ad alte prestazioni. I prototipi sviluppati dal progetto FANCEE includono lampadine a catodoluminescenza (dove la luce viene generata dal fosforo eccitato mediante un fascio di elettroni) e tubi a raggi X (dove la radiazione a raggi X è il risultato dell’interazione tra elettroni ad alta energia e un anodo metallico come bersaglio). Uno sviluppo interessante è dato da un cannone elettronico ai fini dell’utilizzo in una vela fotonica per vento solare (E-sail), una forma di propulsione spaziale. Tale cannone elettronico è attualmente in fase di controllo a bordo di ETSCube-1, il primo satellite E-sail al mondo. Il progetto FANCEE ha dimostrato che i catodi con nanotubi di carbonio sviluppati sono superiori rispetto ai catodi a base di metalli o semiconduttori. Una volta commercializzati, questi catodi, come anche i materiali con nanotubi di carbonio sviluppati, potranno essere utili in settori che vanno dall’elettrochimica al settore aerospaziale e automobilistico.
Parole chiave
Nanotubi di carbonio, sorgenti di elettroni, elettronica a vuoto, optoelettronica, FANCEE
