Ecco il materiale perfetto

Non si rompe, non si distorce ed è privo di imperfezioni. È infatti stato ribattezzato il materiale perfetto, costituito da uno strato di semiconduttori impilati sopra un supporto di silicio, e potrebbe rivoluzionare l’industria dell’elettronica. A realizzarlo sono stati i ricercatori dell’Università di Milano-Bicocca, del Politecnico di Milano e del Politecnico di Zurigo che con il loro materiale si sono guadagnati la copertina di Science.

Come spiega a Galileo Giovanni Isella del Politecnico di Milano, uno dei ricercatori che ha preso parte allo studio, quando si costruiscono dispositivi a strati, il problema principale è quello di unire in un’unica struttura componenti con caratteristiche diverse: “Distribuire un materiale su un altro significa andare incontro a problemi di compatibilità, sia da un punto di vista spaziale, dal momento che le configurazioni atomiche sono diverse, sia da quello termico, visto che sostanze diverse, per esempio, rispondono in modo differente a variazioni di temperatura. Si deve compiere uno sforzo per superare questi problemi di compatibilità, con inevitabili ripercussioni sul prodotto finale, che sarà proprio per questo più facilmente soggetto a fratture o distorsioni”.

Ecco allora l’idea dei ricercatori: cercare di ridurre al minimo i problemi di compatibilità. Per farlo gli scienziati hanno pensato di utilizzare come supporto per la costruzione del loro materiale il silicio, ma in una conformazione particolare: “Invece di utilizzare una struttura piana e piena, abbiamo costruito una scacchiera di blocchi di silicio alti 8 micrometri. In pratica tanti pilastri che spuntano da una superficie”.

Una struttura del genere si presta, come spiega il ricercatore, alla cosiddetta crescita epitassiale, vale a dire un processo in cui il substrato guida la deposizione del materiale soprastante. “In questo caso abbiamo depositato sopra il silicio degli strati di germanio, un elemento diverso per struttura ma chimicamente simile al primo. Per farlo abbiamo utilizzato un reattore in cui il flusso di germanio indirizzato sopra alla superficie viene prodotto a partire da un gas, il germano”. Mantenendo le temperature sufficientemente basse e regolando la velocità del flusso di germanio, gli scienziati sono così riusciti a far crescere sopra i pilastri di silicio dei cristalli di germanio, che prima si deposita sulla cima di queste colonnine per poi allargarsi creando una struttura simile a quella della testa di un fiammifero. “Complessivamente alla fine del processo tutta la superficie è ricoperta da microcristalli di germanio separati da poche decine di nanometri”, spiega Isella. 

Oltre a essere realizzato con materia abbondante e a basso costo, questa struttura ha anche il vantaggio di comportarsi come un materiale quasi perfetto. “Le distanze, seppure minime, tra i diversi cristalli permettono allo strato di adattarsi per esempio alle variazioni che possono insorgere in seguito a cambiamenti della temperatura, visto che silicio e germanio hanno coefficienti termici diversi e si comportano quindi in modo diverso. Le sfaccettature del germanio, inoltre, permettono di eliminare i difetti cristallini legati all’incompatibilità spaziale che peggiorano le qualità ottiche ed elettroniche di un oggetto”. 

“Questo materiale” spiega ancora Isella, “potrebbe essere impiegato per la costruzione di celle solari efficienti e leggere da utilizzare nei satelliti, ma anche per lo sviluppo di sensori ottici per raggi X, dove c’è bisogno di film spessi e di buona qualità, o ancora per sensori ottici che operino nell’infrarosso, per applicazioni nel campo dell’imaging termico o della sensoristica nell’infrarosso, un campo spettrale in cui il germanio è un buon assorbitore”. La possibilità inoltre di depositare sulla sua superficie sostanze diverse, come arseniuro di gallio, carburo di silicio, permetterà di ampliare le possibilità di impiego del materiale.

Riferimenti: Science DOI: 10.1126/science.1217666

Credits immagine: Science/AAAS