Il mondo dell'elettronica è alla costante ricerca di materiali e tecnologie che possano coniugare alte prestazioni, trasparenza ottica, flessibilità meccanica e miniaturizzazione. In questo contesto, i materiali bidimensionali (2D) come il grafene, il nitruro di boro esagonale (h-BN) e i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD) offrono proprietà uniche. Un team di ricercatori statunitensi ha realizzato il primo transistor a film sottile (TFT) interamente costituito da materiali 2D, segnando un traguardo significativo per l'elettronica del futuro.
Il cuore di questo TFT rivoluzionario è una struttura multistrato composta da:
Elettrodi: Grafene monostrato, utilizzato per i contatti di source e drain.
Dielettrico di gate: 3-4 strati atomici di nitruro di boro esagonale (h-BN), che funge da ottimo isolante.
Canale semiconduttore: Un doppio strato di diseleniuro di tungsteno (WSe₂).
Questo stack completo ha uno spessore totale di circa 10 strati atomici, rappresentando il TFT più sottile mai realizzato al momento della pubblicazione. Il dispositivo è stato fabbricato sia su un convenzionale substrato di silicio (con ossido di silicio come dielettrico che su un substrato flessibile in PET (polietilene tereftalato), dimostrando una notevole versatilità di integrazione.
Le caratteristiche elettriche del TFT 2D superano di gran lunga quelle dei TFT tradizionali basati su silicio amorfo (a-Si) e competono nelle le tecnologie emergenti:
Mobilità dei portatori: È stata notata una mobilità di elettroni e lacune che supera di circa 100 volte la mobilità tipica dei TFT in silicio amorfo.
Rapporto ON/OFF: Il dispositivo mostra un elevatissimo rapporto tra la corrente nello stato di accensione (ON) e spegnimento (OFF), pari a 10⁷.
Resistenza di contatto: È stato misurato un valore estremamente basso di resistenza di contatto, 1.4 kΩ·µm.
Conduzione ambipolare: Una caratteristica distintiva e rara è la capacità di condurre sia elettroni (n-type) che lacune (p-type), a seconda della polarizzazione del gate, offrendo maggiore flessibilità per il design di circuiti.
Oltre alle prestazioni elettriche, il dispositivo eccelle in proprietà ottiche e meccaniche:
Trasparenza: Lo stack attivo WSe₂-hBN-grafene ha mostrato una trasparenza superiore all'88% sull'intero spettro del visibile, rendendolo ideale per display e elettronica trasparente.
Flessibilità: I TFT fabbricati su substrato flessibile PET hanno mantenuto inalterate le loro caratteristiche elettriche anche quando sottoposti a uno sforzo meccanico nel piano fino al 2%, dimostrando una robustezza meccanica eccezionale.
Il dispositivo ha dimostrato un'ottima stabilità termica, operando in modo affidabile in un ampio intervallo di temperature, da -190 °C a circa 130 °C.
Impatto e Prospettive Future
Le prestazioni di questo TFT 2D lo rendono estremamente promettente per applicazioni in:
Display: Alcune eccellenti caratteristiche elettriche sono ideali per pilotare pixel di display OLED e LCD ad alta risoluzione.
Elettronica Flessibile e Trasparente: La combinazione di flessibilità, trasparenza e prestazioni apre la strada a dispositivi indossabili, schermi pieghevoli e sensori integrati.
Integrazione con il CMOS: La fabbricazione su piattaforma al silicio dimostra la potenziale compatibilità di questa tecnologia con i processi CMOS esistenti, suggerendo un possibile percorso per l'integrazione di materiali 2D nell'elettronica convenzionale per i nodi tecnologici più avanzati.
In definitiva, i risultati dello studio dimostrano non solo la fattibilità del progetto, ma anche il potenziale di questi materiali per rivoluzionare settori chiave come quello dei display e dell'elettronica flessibile, ponendo le basi per una nuova generazione di dispositivi elettronici.
