Il paese di Flatlandia, nato dalla fantasia matematica di Edwin Abbott, è abitato da figure che mancano totalmente della terza dimensione: sono tutte schiacciate sul piano e mancano di spessore e tanto meno di volume. Oggi, grazie alle nanotecnologie, gli oggetti bidimensionali stanno entrando anche nella nostra realtà, offrendo spunti interessanti di natura fondamentale e possibili applicazioni in diversi settori.
La riduzione delle dimensioni dei materiali, in particolare il silicio, che ha caratterizzato una delle rivoluzioni industriali più importanti e peculiari dell’era moderna, quella della microelettronica, ci ha condotto a dispositivi per il processo e l’immagazzinamento dell’informazione, grandi qualche decina di miliardesimi di metro. La ricerca scientifica si è spinta verso nanostrutture quali i punti quantici, i nanofili, i nanotubi in cui due o tre dimensioni sono ridotte, o meglio confinate. I punti quantici hanno dimensionalità zero, essendo piccole sferette confinate in tutte e tre le direzioni. I nanofili hanno dimensionalià 1 dato che sono confinati in due direzioni, mentre resta macroscopica la direzione lungo l’asse del filo.
I materiali bidimensionali sono la nuova frontiera. Si tratta di materiali in forma di strati di spessore atomico in cui il confinamento è in una direzione soltanto. Nel caso in cui questi materiali esistano in una forma tridimensionale, costituiti quindi dalla sovrapposizione di molti strati atomici, le forze che tengono uniti gli atomi nel piano sono di natura diversa rispetto a quelle, dette di Van der Waals, più deboli, che tengono uniti i vari strati atomici. L’esempio più noto è legato al carbonio: la grafite è composta da strati atomici sovrapposti che si possono staccare con facilità, esperimento che effettuiamo spesso scrivendo con una matita e lasciando sul foglio atomi di carbonio a seguito di una leggera pressione.
Il grafene è il singolo strato atomico che si può esfoliare ed utilizzare. Le proprità chimico-fisiche del carbonio ci hanno fornito poi altre strutture particolari basate su tale materiale: i nanotubi, il fulerene. I materiali bidimensionali sono una famiglia in forte espansione e non solo limitati al più noto grafene. Singoli strati atomici possono essere ricavati, mediante esfoliazione, da materiali che, nella forma tridimensionale troviamo in natura quali il nitruro di boro (BN), i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMDC: MX2 dove M=Mo, W, Ni, Hf… e X= S, Se, Te), o mediante tecniche di deposizione particolari utilizzando materiali che non esistono in natura con la particolare struttura bidimensionale, ad esempio il silicene, il germanene, lo stanene, analoghi del grafene, ma realizzati con atomi di silicio, germanio, stagno rispettivamente.
Questi materiali, come anche il carbonio nella fase diamante, hanno una struttura cristallina diversa da quela della grafite e non esfoliabili: il diamante è materiale molto duro e si può usare per incidere, non per scrivere!
Rispetto al materiale tridimensionale, il confinamento in 1, 2, 3 dimensioni determina proprietà funzionali elettroniche, magnetiche, termiche, ottiche diverse e diependenti dalle dimensioni stesse. Il silicio, per esempio, re incontrastato delle micro/nanoelettronica ha nella sua forma tridimentionale scarse proprietà ottiche e non è utilizzabile in optoelettronica. Tuttavia nanocristalli di silicio di dimensioni nanometriche possono emettere luce in modo molto più efficiente e controllato dalle dimensioni del nanocristallo stesso. I materiali bidimansionali hanno il vantaggio di essere utilizzabili con più facilità in strutture planari in cui, per esempio, vari strati anche di natura chimica diversa si sovrappongono per realizzare nanostrutture complesse.
Rispetto al grafene, i TMDC o i materiali bidimensionali basati su Si, Ge, Sn, offrono la possibilità di controllare una gamma di proprietà funzionali più ampia addirittura dipendente dal numero di strati che si sovrappongono. Il grafene monostrato è metallico, mentre per esempio lo MoS2 è un semiconduttore con un gap elettronico (range proibito di energie) che dipende dal numero di strati.
Quali sarebbero le proprietà dei materiali se potessimo veramente organizzare gli atomi come vogliamo noi? Questa la domanda che poneva uno dei più importanti fisici del nostro tempo, Richard Feynman, aprendo la strada verso le nanostrutture ed i materiali 2D. A tale domanda oggi possiamo fornire alcune risposte, anche se ancora molto resta da fare e comprendere.
Tra le proprietà più significative dei materiali bidimensionali possiamo citare:
1) la mancanza di legami pendenti (dangling bonds) che si generano alla superficie dei solidi tridimensionali;
2) sono un sistema confinato in una direzione ideale con gap elettronico diretto o indiretto;
3) possono essere metallici, semiconduttori, superconduttori, magnetici;
4) possono avere un più significativo accopiamento spin-orbita, cioè l’interazione tra il moto di rotazione dell’elettrone attorno al priorio asse (spin) e il moto “orbitale” dell’elettrone attorno al nucleo, rendendoli attraenti per applicazioni dette appunto spintroniche.
I dispositivi proposti o già realizzati a scopo dimostrativo basati sui materiali 2D sono diversi e sfruttano particolari funzionalità per il provesso dell’informazione classica e quantistica, l’optoelettronica, il fotovoltaico, la sensoristica: transitors basati sul grafene, sul silicene, e sul MoS2; transistors a film sottile basati sul WS2 come semiconduttore, graphene per gli elettrodi, e BN come isolante, bit quantistici basati eterostrutture e su fermioni di Majorana, fotorivelatori, e molte altre idee a proposte che attendono una verifica almeno di fattibilità sperimentale.
Non è chiaro al momento quali soluzioni ed applicazioni risulteranno vincenti e se questa interessante categoria di materiali si trasformerà in una vera tecnologia, ma sicuramente a partire dal grafene si è aperto un nuovo capitolo che potrebbe offrire nuove opportunità all’industria dei semiconduttori.
Il primo transistor basato sul silicene messo a punto da ricercatori italiani del Laboratorio MDM dell’Istituto per la microelettronica e microsistemi del CNR, ad Agrate Brianza, in collaborazione con colleghi dell’Università del Texas ad Austin: a) la struttura cristallina basata sul reticolo esagonale del silicene; b) il processo per la realizzazione del transistor. [Nature Nanotechnology]
