Verso la nanoelettronica: modelli e meccanismi
Nell’elettronica e nella optoelettronica moderne la principale tendenza è quella di ampliare la gamma di frequenze verso i terahertz e l’infrarosso aggiungendo la nanotecnologia. La nanoelettronica, con componenti fondamentali che hanno le dimensioni degli atomi, aumenta l’integrazione dei componenti e diminuisce il consumo energetico. Tra i nanomateriali che stanno attirando molto interesse ci sono le nanostrutture basate sul carbonio, che comprendono i nanotubi di carbonio (CNT) a parete singola e multipla, carbonio a cipolla e grafene. Il progetto CACOMEL (Nano-carbon based components and materials for high frequency electronics), finanziato dall’UE, ha esaminato gli effetti elettromagnetici lineari e non lineari nel carbonio nanostrutturato usato nei nanocircuiti. Il progetto ha effettuato degli studi teorici e sperimentali sui sottostanti meccanismi fisici. I partner hanno sviluppato un concetto di compatibilità elettromagnetica (EMC) dei circuiti con componenti con nano dimensioni basato sulla classica teoria elettrodinamica e del trasporto quantistico nelle nanostrutture. I concetti EMC classici sono stati riconsiderati prendendo in considerazione correlazioni quantistiche ed effetto tunnel, oltre alle interazioni spin-spin e dipolo-dipolo. Il concetto è stato illustrato mediante l’esempio delle interconnessioni basate su CNT. CACOMEL ha ottenuto una prima prova sperimentale della risonanza plasmonica localizzata in materiali compositi contenenti nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), che dipendeva dalla lunghezza dei nanotubi. Gli scienziati hanno inoltre sviluppato un metodo numerico per calcolare la struttura elettronica delle impurità puntuali nei SWCNT. Il confronto delle proprietà dielettriche ed elettromagnetiche nella gamma di frequenze delle microonde di composti drogati con azoto e puri basati su CNT ha mostrato l’importanza del drogaggio. Le osservazioni sperimentali hanno rivelato il miglioramento elettromagnetico nei CNT drogati, in accordo con il modello teorico della “metallizzazione” di CNT semiconduttori. Il trasporto elettronico nelle nano interconnessioni del carbonio è stato modellato con gli array di nanonastri di grafene e fasci di CNT. Questo modelli sono stati anche usati per studiare gli impegnativi problemi nel nano imballaggio. Gli scienziati hanno sintetizzato dei film di carbonio pirolitico altamente conduttivi e semitrasparenti dal punto di vista nanometrico su substrati dielettrici. Questi film possedevano un assorbimento notevolmente alto che raggiunge il 50 % dell’energia incidente, e questo li rende allettanti per applicazioni di schermatura elettromagnetica. Infine, lo studio delle non linearità del terzo ordine nei SWCNT ha rivelato la localizzazione del vettore oltre che l’effetto tunnel attraverso le barriere isolanti tra regioni conduttive. Nel complesso, CACOMEL ha contribuito allo sviluppo della nanoelettromagnetica, una nuova disciplina della ricerca importante per telecomunicazioni, biomedicina e sicurezza informatica.
Parole chiave
Nanoelettronica, carbonio nanostrutturato, terahertz, nanotubi di carbonio, grafene
