Molibdenite: elevate prestazioni per l’elettronica

molibdeniteLa molibdenite ha straordinarie proprietà che la renderebbero migliore del silicio e del grafene per le applicazioni in elettronica. L’impiego della molibdenite permetterà forse in futuro di realizzare celle solari flessibili più efficienti, dispositivi elettronici e microprocessori capaci di elevate prestazioni a fronte di un ridotto consumo energetico.

La molibdenite è un minerale le cui applicazioni sono state ben lontane dall’elettronica, almeno fino ad oggi, infatti i ricercatori dell’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) hanno pubblicato uno studio sulla rivista Nature Nanotechnology in cui vengono riportate le straordinarie proprietà del minerale quando viene impiegato in strati bidimensionali dello spessore di un atomo.

I ricercatori del Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures (LANES) hanno dimostrato che gli strati bidimensionali di molibdenite hanno proprietà elettriche e ottiche decisamente migliori rispetto a quelle offerte dal minerale nelle sue forme tridimensionali.

  • Il silicio viene impiegato in forma tridimensionale mentre la molibdenite in strati bidimensionali, meno voluminosi.
  • In stanby i transistors in molibdenite consumano 100 mila volte meno energia rispetto a quelli in silicio.

Dispositivi più piccoli e più efficienti dal punto di vista energetico è questa l’idea dei ricercatori svizzeri che hanno usato la molibdenite per mettere a punto transistors con un approccio simile a quello impiegato nei primi stadi della ricerca sul grafene.
Gli scienziati hanno ottenuto sottilissimi fogli che hanno poi adagiato su un substrato e coperto con uno strato isolante. Con questa base hanno realizzato transistors che mostrano una mobilità elettrica comparabile a quella dei transistors realizzati con il grafene.

La mobilità elettrica è la capacità delle particelle cariche di muoversi in un solvente in risposta ad un campo elettrico.

Dopo l’introduzione dei dispositivi a grafene nel 2004 da parte di Andre Geim e Kostya Novoselov che hanno vinto per questo il Premio Nobel per la fisica nel 2010, la ricerca su nuovi materiali capaci di elevate prestazioni in elettronica è decisamente aumentata. Tra i numerosi test effettuati impiegando materiali in forma bidimensionale è risultata promettente la molibdenite.

Prima di poter pensare alle applicazioni del nuovo materiale serviranno certamente ulteriori studi per capire nel dettaglio le reali potenzialità di questo minerale, ad esempio gli scienziati devono ancora dimostrare la capacità di amplificare i segnali elettrici, ma i ricercatori ripongono molta fiducia nella molibdenite per rivoluzionare i dispositivi elettronici nel prossimo futuro.

Se il grafene, individuato come materiale capace di sostituire il silicio all’interno dei microprocessori, non risulta adatto a causa delle grandi difficoltà che si incontrano per farlo diventare un semiconduttore e quindi è più probabile che venga impiegato in altri tipi di circuiti come ad esempio quelli usati nel campo delle telecomunicazioni, la molibdenite potrà forse rivelarsi il materiale adatto per ottenere microprocessori ad elevate prestazioni.

Gli scienziati iniziano a progettare altri possibili usi per la molibdenite come celle solari flessibili e dispositivi elettronici flessibili che ad oggi usano polimeri meno stabili di quanto promette di essere la molibdenite.

La molibdenite è un semiconduttore dotato di band gap (gap di 1.8 elettron-volt), si tratta di una caratteristica importante per un materiale impiegato nei transistors digitali. Il grafene ad esempio non ha una band gap pertanto i ricercatori devono realizzare e usare nastri di questo materiale, ma il procedimento risulta complesso e può portare all’alterazione di altre importanti proprietà del materiale.

La band gap è un intervallo di energia interdetto agli elettroni. Nei semiconduttori gli elettroni si trovano in bande di energia, la band gap è un range di energia in cui non sono presenti elettroni e si riferisce alla differenza di energia compresa tra il limite superiore della banda di valenza e il limite inferiore della banda di conduzione. E’ equivalente all’energia necessaria per liberare un elettrone esterno dalla sua orbita attorno al nucleo per diventare una carica mobile capace di muoversi liberamente attraverso il materiale solido.
Nei conduttori le bande di valenza e di conduzione sono spesso sovrapposte pertanto potrebbero non avere una band gap.

La molibdenite ha il vantaggio di essere un minerale abbondante in natura e potenzialmente ha ottime probabilità di diventare il materiale più promettente per i dispositivi elettronici del futuro, ma è stato riscontrato anche un problema relativo alla lavorazione del minerale poiché esiste una grande difficoltà nella produzione degli strati bidimensionali. Ad oggi i ricercatori impiegano un metodo manuale che funziona per ottenere solo piccole quantità di materiale in forma bidimensionale, tuttavia questo sistema non è pratico per poter lavorare con le grandi quantità, risulta pertanto necessario studiare un metodo diverso che consenta un risultato ottimale anche su grande scala.