L’ibridizzazione dei dispositivi al silicio con i nanotubi di carbonio
Il silicio si è affermato come il materiale preferito per una gamma di applicazioni fotoniche, che includono le comunicazioni dati e il rilevamento. Di conseguenza, oggi è possibile trovare numerosi dispositivi fotonici in grado di emettere, diffondere, modulare e rilevare la luce con dimensioni pari a quelle di un chip di silicio. Tuttavia, nonostante questo progresso, rimane la sfida di integrare tutti i componenti fotonici sullo stesso circuito. Questo accade perché per fare questo è necessario integrare vari materiali differenti sul silicio. Anche se possibile dal punto di vista tecnico, il processo non è efficiente in termini di costo, limitando pertanto l’uso della fotonica del silicio per un’ampia gamma di applicazioni. Il progetto CARTOON, finanziato dall’UE, ha superato questa sfida mediante lo sviluppo di una nuova strategia per l’ibridizzazione di dispositivi basati sul silicio che utilizza i CNT come fonte di luce integrata, modulatore e rivelatore nella gamma delle lunghezze d’onda del vicino infrarosso. “Noi sostanzialmente abbiamo scelto i nanotubi di carbonio semiconduttori a singola parete (s-SWNT) dato che si tratta di un materiale molto versatile che presenta anche proprietà elettroniche e ottiche molto buone,” dice Laurent Vivien, il coordinatore del progetto. Secondo Vivien, i vantaggi degli s-SWNT sono molteplici. Ad esempio, essi mostrano una forte emissione a temperatura ambiente nella gamma delle lunghezze d’onda NIR, in aggiunta a una grande fotostabilità termica. Selezionando un diametro e una chiralità precisi dei nanotubi, è possibile controllare facilmente le emissioni per lunghezze d’onda da 1 µm a 1,6 µm. Essi possono essere integrati per produrre diodi e transistor a effetto di campo, aprendo così la possibilità di usare il pompaggio elettrico per rivelatori di luminescenza e luce. Inoltre, le loro transizioni elettroniche, attraverso i previsti effetti Stark e Kerr, possono essere anche usate per ottenere effetti di modulazione. “Per tutte queste ragioni, i CNT sono un candidato molto valido per risolvere i problemi di integrazione della fotonica del silicio, portando a una fotonica efficace dal punto di vista dei costi e affidabile,” afferma Vivien. Un enorme potenziale Producendo una gamma di importanti passi in avanti che hanno aperto la strada allo sviluppo della fotonica CNT di prossima generazione, il potenziale impatto del progetto CARTOON è enorme. Ad esempio, esso ha sviluppato nuove strategie per ottenere nanotubi di carbonio semiconduttori puri per applicazioni fotoniche. Esso ha inoltre effettuato la prima dimostrazione di successo dell’effetto negativo di rifrazione non lineare in CNT integrati in una guida d’onda in nitruro di silicio, in aggiunta al primo effetto persistente basato sulla integrazione ibrida di CNT in dispositivi fotonici al silicio. Inoltre, il progetto ha prodotto una piattaforma fotonica su silicio ibrida e del tutto integrata per nanomateriali e ottimizzata per nanotubi. “Il progetto ha introdotto un nuovo e imprevisto concetto per l’utilizzo dei CNT per applicazioni nella fotonica del silicio,” afferma Vivien. “Si tratta di un materiale molto promettente che potrebbe essere utilizzato nello sviluppo di tutti i dispositivi optoelettronici, e siamo convinti che i CNT faciliteranno l’integrazione di fotonica ed elettronica. Inoltre, dato che i singoli CNT sono degli emettitori quantici, la nostra strategia può essere usata anche per portare la fotonica del silicio nel settore della comunicazione quantistica integrata.” Mercatizzazione all’orizzonte Nel 2015, una nuova azienda, ProNT GmbH, è stata fondata da un ricercatore del progetto CARTOON. Il suo obiettivo è quello di commercializzare la tecnologia per la sintesi diretta di SWNT semiconduttori usando alcuni degli approcci sviluppati nel corso del progetto CARTOON. Se avrà successo, questo fornirà a clienti industriali degli s-SWNT per l’integrazione in dispositivi fotonici ed elettronici basati su SWNT, inclusi sensori. I ricercatori del progetto CARTOON intendono inoltre sviluppare ulteriormente le loro ultime scoperte relative ai dispositivi optoelettronici con il lancio di un nuovo progetto. Questa nuova ricerca si concentrerà sulla dimostrazione di un circuito fotonico sul silicio basato su CNT da usare con interconnessioni ottiche, informazione quantistica e rilevamento di prossima generazione.
Parole chiave
CARTOON, fotonica del silicio, nanotubi di carbonio, dispositivi fotonici, dispositivi elettronici
