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, compresi i chip per computer microelettronici 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 e presenta delle lacune. Inoltre, il silicio svolge un pessimo lavoro di trasporto del calore, il che contribuisce ai frequenti problemi di surriscaldamento e ai costosi sistemi di raffreddamento dei computer.
Ora, un team di scienziati del MIT, dell’Università di Houston e di altre istituzioni ha condotto esperimenti che dimostrano che un materiale chiamato “cubic boron arsenide” supera entrambe queste limitazioni.
Oltre a fornire un’elevata mobilità sia agli elettroni, ha un’eccellente conduttività termica. È il miglior materiale semiconduttore mai trovato, e forse il migliore possibile, secondo i ricercatori.
Finora il cubic boron arsenide è stato prodotto e testato solo in piccoli lotti su scala di laboratorio che non sono uniformi. In effetti, per testare piccole regioni all’interno del materiale, gli scienziati hanno dovuto utilizzare metodi speciali originariamente sviluppati dall’ex post-dottorato del MIT Bai Song.
Sarà necessario più lavoro per determinare se il cubic boron arsenide può essere prodotto in una forma pratica ed economica, tanto meno sostituire l’onnipresente silicio.
Ma anche nel prossimo futuro, affermano i ricercatori, il materiale potrebbe trovare alcuni 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 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 sperimentalmente questa previsione.
Quest’ultimo lavoro completa l’analisi confermando sperimentalmente una previsione fatta dal gruppo di Chen nel 2018: che il cubic boron arsenide avrebbe anche una mobilità, “il che rende questo materiale davvero unico”, afferma Chen.
I primi esperimenti hanno dimostrato che la conduttività termica 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 il nuovo materiale 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 sempre con meno resistenza”
afferma Chen.
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