Il silicio è il materiale dell’elettronica per antonomasia ma, com’è facile immaginare, seppur meritevole di grande riconoscenza per tutta l’innovazione che ha permesso in questi ultimi 50 anni, non rappresenta il semiconduttore ideale. I ricercatori del MIT, infatti, hanno trovato un nuovo materiale che potrebbe funzionare molto meglio del silicio. Il passo successivo è trovare modi pratici ed economici per produrlo.
Il silicio è ottimo ma esistono alternative decisamente migliori
Il silicio è uno degli elementi più abbondanti sulla Terra e, nella sua forma pura, il materiale semiconduttore è diventato il fondamento di gran parte della tecnologia moderna, come ad esempio i chip per computer e le celle solari. Tuttavia, le proprietà del silicio come semiconduttore sono in realtà tutt’altro che ideali.
Uno dei motivi è che, sebbene il silicio consenta agli elettroni di fluire facilmente attraverso la sua struttura, è molto meno accomodante per i “buchi” o “lacune”, cioè le controparti caricate positivamente degli elettroni, e riuscire a sfruttarle entrambi è fondamentale per particolari tipi di dispositivi. Inoltre, il silicio svolge un pessimo lavoro per quanto riguarda il trasporto del calore, il che contribuisce ai frequenti problemi di surriscaldamento e ai costosi sistemi di raffreddamento a cui siamo abituati.
Ora, un team di scienziati del MIT, dell’Università di Houston e di altre istituzioni ha condotto esperimenti che dimostrano come un materiale chiamato “arseniuro di boro cubico” riesce a superare entrambe queste limitazioni. Infatti, oltre a fornire un’elevata mobilità sia agli elettroni che alle lacune, ha un’eccellente conduttività termica. Di conseguenza, è finora il miglior materiale semiconduttore mai trovato, e forse il migliore possibile, secondo i ricercatori.
Finora l’arseniuro di boro cubico è stato prodotto e testato solo in piccoli lotti su scala di laboratorio. Sarà necessario più lavoro per determinare se l’arseniuro di boro cubico può essere prodotto in una forma pratica ed economica, e riuscire così a sostituire l’onnipresente silicio. Ma anche nel prossimo futuro, affermano i ricercatori, il materiale potrebbe trovare usi in cui le sue proprietà uniche farebbero una differenza significativa. I risultati sono stati riportati il 21 luglio 2022 sulla rivista Science, in un articolo intitolato “High ambipolar mobility in cubic boron arsenide”.
Ricerche precedenti avevano teoricamente previsto che il materiale avrebbe un’elevata conduttività termica. Il lavoro successivo ha dimostrato sperimentalmente questa previsione. Quest’ultimo lavoro completa l’analisi confermando sperimentalmente una previsione fatta nel 2018, cioè 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”.
“Il calore è ora un grosso collo di bottiglia per molti dispositivi elettronici. Il carburo di silicio sta sostituendo il silicio per l’elettronica di potenza nelle principali industrie di veicoli elettrici, tra cui Tesla, poiché 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 rispetto al silicio. Può essere un punto di svolta (…) La pietra miliare fondamentale che rende possibile questa scoperta sono i progressi nei sistemi di reticolo laser ultraveloci al MIT”
Non solo la conduttività termica del materiale è la migliore di qualsiasi semiconduttore, ma gli scienziati affermano anche che ha la terza migliore conduttività termica di qualsiasi materiale, accanto al diamante e al nitruro di boro cubico arricchito isotopicamente.
“Il silicio è il cavallo di battaglia dell’intero settore (…) Quindi, ok, abbiamo un materiale migliore, ma in realtà andrà a compensare il settore? Non lo sappiamo se può effettivamente entrare a far parte di un dispositivo e sostituire parte del mercato attuale, penso che debba ancora essere dimostrato (…) Per realizzare dispositivi, ci sono molti altri fattori che non conosciamo ancora (…) Questo potenzialmente potrebbe essere davvero importante e le persone non hanno nemmeno prestato attenzione a questo materiale ma ora che le proprietà desiderabili dell’arseniuro di boro sono diventate più chiare forse ci sarà più attenzione su questo materiale.”
