Innovazione

Il sensore al grafene amante della luce

Funziona meglio del silicio.

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Il grafene è un materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio ed è considerato portentoso. Un gruppo di scienziati, sfruttando le sue proprietà fisiche, vuole realizzare un innovativo fotorivelatore economico e ultrasensibile.

"Il grafene potrebbe spalancare le porte di una nuova generazione di processori"
Un materiale straordinario... - Recenti studi hanno dimostrato che il grafene è uno dei migliori conduttori di calore, è 40 volte più resistente dell’acciaio ed è un ottimo semiconduttore, quasi 1,000 volte meglio del silicio: ci manca solo che riesca a trasformare i metalli in oro e poi potrebbe ambire a diventare la pietra filosofale del nuovo millennio. Scherzi a parte, le proprietà di questo materiale - come dimostrato dagli studi di Geim e Novoselov, che sono valsi loro il premio Nobel per la Fisica nel 2010 - sono davvero interessanti.

Per un fotorilevatore straordinario - Un’equipe di scienziati dell’ICFO (Institut de Ciències Fotòniques) di Barcellona, capitanata dal dottor Frank Koppens, ha pensato di utilizzare il grafene per sviluppare un rivoluzionario fotorilevatore, ovvero un dispositivo in grado di rilevare le radiazioni elettromagnetiche e di fornire in uscita un’intensità di corrente direttamente proporzionale al segnale luminoso in entrata. Per farla breve, i fotorilevatori vengono solitamente impiegati all’interno di fotocamere digitali, dispositivi biomedici, sistemi di telecomunicazioni e sensori per l’inquinamento.

Il silicio è superato - I fotorilevatori di stampo classico vengono fabbricati sistemando un microchip di silicio a pochi millimetri di distanza da una piccola lente, che concentra il segnale luminoso in ingresso; il chip rielabora, poi, questo input e lo trasforma in immagini, oppure in altre informazioni utili. Questi dispositivi in silicio risentono, però, di alcuni limiti notevoli: sono particolarmente costosi da produrre, non sono per nulla flessibili e assorbono solo una minima parte - tra il 10 e il 20% - della radiazione che li colpisce.

I microcristalli sono il segreto - Il grafene potrebbe essere la soluzione giusta, perché un fotorilevatore fatto con questo materiale sarebbe certamente più economico da realizzare e talmente sottile da poter essere tranquillamente piegato, o addirittura indossato insieme ai vestiti. Essendo, però, un derivato del carbonio, si comporta peggio per quanto riguarda l’assorbimento del segnale luminoso, non riuscendo a raggiungere nemmeno il 3% della radiazione complessiva. Il dottor Koppens ha ovviato a questo problema, cospargendo la superficie di microcristalli di solfuro di piombo.

Effetto sinergico - In questo modo, le prestazioni del grafene vengono incrementate del 50% circa, superando così quelle offerte dal silicio. Grazie, inoltre, alle dimensioni infinitesimali dei microcristalli che lo ricoprono, questo tipo di fotorilevatore riesce a rilevare una banda dello spettro luminoso più ampia e, anzi, l’elevato numero di elettroni liberi nel monostrato di carbonio porta a un effetto sinergico, che si traduce in una sensibile amplificazione del segnale. Passando al lato pratico, un dispositivo così potrebbe essere impiegato per produrre sia fotocamere che innovativi transistor ottici.

La coppia del futuro - Sappiamo che Intel sta lavorando a qualcosa di simile già da alcuni anni, ma finora ha sempre e soltanto utilizzato il silicio. In effetti, la barriera che separa il mondo degli elettroni da quello dei fotoni sembra insormontabile e ha compromesso ogni esperimento tentato finora per mettere in contatto i due alla velocità della luce: se qualcuno dovesse riuscire ad aggirarla, l’accoppiata silicio-grafene potrebbe spalancare le porte di una nuova generazione di microprocessori ultraveloci e altro ancora. (sp)

11 maggio 2012
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