Doping per nanocristalli

Quando si parla di semiconduttori il termine “doping” non ha un significato negativo. Anzi. L’industria del silicio spende ogni anno miliardi di dollari per “drogare” questi materiali, cioè per aggiungere impurità che servono a migliorare le prestazioni, così da “far andare” i dispositivi elettronici più veloci. Se drogare cristalli di semiconduttori come il silicio è cosa semplice, rimane una sfida farlo con cristalli su scale nanometriche. Ora, uno studio su Science propone una nuova tecnica per dopare questi nanocristalli, le cui dimensioni sono inferiori a 10 nanometri (1 nanometro equivale a 1 miliardesimo di metro). La ricerca, coordinata da David Mocatta dell’Università di Gerusalemme, avrà un notevole impatto tecnologico perché offre un nuovo strumento per realizzare nanocristalli semiconduttori ad alte prestazioni.

L’aggiunta di impurità ai semiconduttori, introdotta negli anni Quaranta del secolo scorso, è alla base del vasto impiego dei semiconduttori in elettronica. Allo stato solido, un semiconduttore è tipicamente costituito da un cristallo, cioè un reticolo periodico di atomi. Per esempio, nei cristalli di silicio i quattro elettroni più esterni (detti elettroni di valenza) sono messi in comune con gli atomi adiacenti (a formare quattro legami covalenti). Come ci insegna la meccanica quantistica, questi elettroni possono avere energie comprese solo entro certi intervalli (o bande energetiche). Le proprietà di conduzione elettrica del semiconduttore dipendono dalla capacità di questi elettroni di saltare fra bande di energia differenti. Se un atomo di silicio viene sostituito con uno di fosforo, che ha cinque elettroni esterni, sarà possibile costruire quattro legami e avere così un elettrone in eccesso, disponibile per il flusso di corrente elettrica. L’aggiunta di un’impurità atomica, in questo caso, ha quindi creato un semiconduttore con un eccesso negativo, cioè un semiconduttore “di tipo n”. Al contrario, aggiungendo un atomo con tre elettroni di valenza, si crea una carenza, o buca, e il semiconduttore diventa “di tipo p”. La presenza di impurità permette inoltre di regolare le bande energetiche dei semiconduttori.

Mocatta e colleghi sono riusciti ad aggiungere impurità di rame, argento e oro, a nanocristalli di arseniuro di indio (InAs), attraverso una reazione chimica condotta a temperatura ambiente. Questi nanocristalli, che sono solitamente dispersi in soluzioni colloidali, sono stati così drogati a formare dei nano-semiconduttori detti quantum dots, cioè “punti quantici”. I nanocristalli semiconduttori hanno già numerose applicazioni, per esempio vengono utilizzati come traccianti fosforescenti all’interno delle cellule. Questo nuovo sviluppo apre però molte applicazioni innovative: rappresenta la possibilità di realizzare componenti elettronici di nuova generazione, dalle celle fotovoltaiche ai diodi LED.

Riferimento: DOI: 10.1126/science.1196321