Per prima cosa, sebbene il silicio consenta agli elettroni di sfrecciare facilmente attraverso la sua struttura, è molto meno accomodante per i “buchi” — le controparti cariche positivamente degli elettroni — e sfruttare entrambi è importante per alcuni tipi di chip. Inoltre, il silicio non è molto bravo a condurre il calore, motivo per cui problemi di surriscaldamento e costosi sistemi di raffreddamento sono comuni nei computer.
Ora, un team di ricercatori del MIT, dell’Università di Houston e di altre istituzioni ha condotto esperimenti che dimostrano che un materiale noto come arseniuro di boro cubico supera entrambe queste limitazioni. Fornisce un’elevata mobilità sia agli elettroni che alle lacune e ha un’eccellente conduttività termica. È, dicono i ricercatori, il miglior materiale semiconduttore mai trovato e forse il migliore possibile.
Finora, l’arseniuro di boro cubico è stato prodotto e testato solo in piccoli lotti su scala di laboratorio che non sono uniformi. I ricercatori hanno dovuto utilizzare metodi speciali originariamente sviluppati dall’ex post-dottorato del MIT Bai Song per testare piccole regioni all’interno del materiale. Sarà necessario più lavoro per determinare se l’arseniuro di boro cubico può essere prodotto in una forma pratica ed economica, tanto meno sostituire l’onnipresente silicio. Ma anche nel prossimo futuro, il materiale potrebbe trovare usi in cui le sue proprietà uniche farebbero una differenza significativa, affermano i ricercatori.
I risultati sono riportati sulla rivista Science, in un articolo del postdoc del MIT Jungwoo Shin e del professore di ingegneria meccanica del MIT Gang Chen; Zhifeng Ren all’Università di Houston; e altri 14 al MIT, all’Università di Houston, all’Università del Texas ad Austin e al Boston College.
Ricerche precedenti, compreso il lavoro di David Broido, coautore del nuovo articolo, avevano teoricamente previsto che il materiale avrebbe un’elevata conduttività termica; il lavoro successivo ha dimostrato quella previsione sperimentalmente. Quest’ultimo lavoro completa l’analisi confermando sperimentalmente una previsione fatta dal gruppo di Chen nel 2018: che l’arseniuro di boro cubico avrebbe anche una mobilità molto elevata sia per gli elettroni che per le lacune, “il che rende questo materiale davvero unico”, afferma Chen.
I primi esperimenti hanno mostrato che la conduttività termica dell’arseniuro di boro cubico è quasi 10 volte maggiore di quella del silicio. “Quindi, è molto interessante solo per la dissipazione del calore”, afferma Chen. Hanno anche dimostrato che il materiale ha un ottimo bandgap, una proprietà che gli conferisce un grande potenziale come materiale semiconduttore.
Ora, il nuovo lavoro riempie il quadro, mostrando che, con la sua elevata mobilità sia per gli elettroni che per le lacune, l’arseniuro di boro ha tutte le principali qualità necessarie per un semiconduttore ideale. “Questo è importante perché ovviamente nei semiconduttori abbiamo cariche positive e negative in modo equivalente. Quindi, se costruisci un dispositivo, vuoi avere un materiale in cui sia gli elettroni che le lacune viaggiano con meno resistenza”, afferma Chen.
Il silicio ha una buona mobilità degli elettroni ma una scarsa mobilità delle lacune e altri materiali come l’arseniuro di gallio, ampiamente utilizzato per i laser, hanno allo stesso modo una buona mobilità per gli elettroni ma non per le lacune.
“Il calore è ora un grosso collo di bottiglia per molti dispositivi elettronici”, afferma Shin, l’autore principale del giornale. “Il carburo di silicio sta sostituendo il silicio per l’elettronica di potenza nelle principali industrie di veicoli elettrici, tra cui Tesla, dal momento che ha una conduttività termica tre volte superiore rispetto al silicio nonostante le sue mobilità elettriche inferiori. Immagina cosa possono ottenere gli arseniuri di boro, con una conduttività termica 10 volte superiore e una mobilità molto più elevata di silicio. Può essere un punto di svolta”.
Shin aggiunge: “La pietra miliare fondamentale che rende possibile questa scoperta sono i progressi nei sistemi di reticolo laser ultraveloci al MIT”, inizialmente sviluppato da Song. Senza quella tecnica, dice, non sarebbe stato possibile dimostrare l’elevata mobilità del materiale per elettroni e lacune.
Le proprietà elettroniche dell’arseniuro di boro cubico erano state inizialmente previste sulla base dei calcoli della funzione di densità meccanica quantistica effettuati dal gruppo di Chen, dice, e quelle previsioni sono state ora convalidate attraverso esperimenti condotti al MIT, utilizzando metodi di rilevamento ottico su campioni realizzati da Ren e membri del team dell’Università di Houston.
Non solo la conduttività termica del materiale è la migliore di qualsiasi semiconduttore, affermano i ricercatori, ha la terza migliore conduttività termica di qualsiasi materiale, accanto al diamante e al nitruro di boro cubico arricchito isotopicamente. “E ora, abbiamo previsto il comportamento della meccanica quantistica di elettroni e lacune, anche in base ai primi principi, e anche questo si è dimostrato vero”, afferma Chen.
“Questo è impressionante, perché in realtà non conosco nessun altro materiale, oltre al grafene, che abbia tutte queste proprietà”, dice. “E questo è un materiale sfuso che ha queste proprietà.”
La sfida ora, dice, è trovare modi pratici per produrre questo materiale in quantità utilizzabili. I metodi attuali per realizzarlo producono materiale non uniforme, quindi il team ha dovuto trovare il modo di testare solo piccole porzioni locali del materiale che fossero abbastanza uniformi da fornire dati affidabili. Sebbene abbiano dimostrato il grande potenziale di questo materiale, “se o dove verrà effettivamente utilizzato, non sappiamo”, afferma Chen.
“Il silicio è il cavallo di battaglia dell’intero settore”, afferma Chen. “Quindi, OK, abbiamo un materiale migliore, ma in realtà andrà a compensare l’industria? Non lo sappiamo”. Sebbene il materiale sembri essere quasi un semiconduttore ideale, “se può effettivamente entrare in un dispositivo e sostituire parte del mercato attuale, penso che debba ancora essere dimostrato”.
E mentre le proprietà termiche ed elettriche hanno dimostrato di essere eccellenti, ci sono molte altre proprietà di un materiale che devono ancora essere testate, come la sua stabilità a lungo termine, dice Chen. “Per realizzare dispositivi, ci sono molti altri fattori che non conosciamo ancora.”
Aggiunge: “Questo potenzialmente potrebbe essere davvero importante e le persone non hanno nemmeno prestato attenzione a questo materiale”. Ora che le proprietà desiderabili dell’arseniuro di boro sono diventate più chiare, suggerendo che il materiale è “per molti versi il miglior semiconduttore”, dice, “forse ci sarà più attenzione a questo materiale”.
Per usi commerciali, dice Ren, “una grande sfida sarebbe come produrre e purificare l’arseniuro di boro cubico con la stessa efficacia del silicio. Il silicio ha impiegato decenni per vincere la corona, con una purezza di oltre il 99,99999999 percento, o ’10 nove’ per la produzione di massa oggi.”
Perché diventi pratica sul mercato, dice Chen, “richiede davvero che più persone sviluppino modi diversi per realizzare materiali migliori e caratterizzarli”. Resta da vedere se i finanziamenti necessari per tale sviluppo saranno disponibili, dice.
La ricerca è stata supportata dall’Ufficio per la ricerca navale degli Stati Uniti e ha utilizzato parte delle strutture sperimentali condivise MRSEC del MIT, supportate dalla National Science Foundation.
Fonte: Materiali forniti dal Massachusetts Institute of Technology . Originale scritto da David L. Chandler. Riferimento del giornale: Jungwoo Shin, Geethal Amila Gamage, Zhiwei Ding, Ke Chen, Fei Tian, Xin Qian, Jiawei Zhou, Hwijong Lee, Jianshi Zhou, Li Shi, Thanh Nguyen, Fei Han, Mingda Li, David Broido, Aaron Schmidt, Zhifeng Ren, Gang Chen. Elevata mobilità ambipolare nell’arseniuro di boro cubico . Scienza , 2022; 377 (6604): 437 DOI: 10.1126/science.abn4290
