La spintronica basata sul grafene per i dispositivi elettronici molecolari di prossima generazione
Non molto tempo fa, la spintronica (lo sviluppo di elettronica in nanoscala per la fabbricazione di hard drive basati sulla rilevazione e la manipolazione dello spin dell’elettrone) e l’elettronica molecolare (l’uso di molecole come principale elemento costituente dei circuiti elettronici) erano considerati settori distinti. Sviluppando un polarizzatore dello spin scambiabile a temperatura ambiente che usa molecole elettroattive e magnetiche integrandole in elettrodi tipo grafene modificati con materiali ferromagnetici, ACMOL apre una nuova via per la ricerca nel campo della spintronica. “Nonostante i rapidi progressi della spintronica, la “spintronica molecolare” presenta ancora grandi difficoltà,” spiega la dott.ssa Núria Crivillers, coordinatrice del progetto per l’ICMAB-CSIC in Spagna. “Mentre il mercato pretende una continua riduzione delle dimensioni dei magneti che formano i drive degli hard disk, la questione di come lo spin delle molecole interagisce con la corrente elettrica non è stata ancora risolta.” ACMOL sta dando il suo contributo per rispondere a questo interrogativo con una prova di concetto secondo cui una corrente elettrica può interagire con lo spin della molecola che può essere cambiato tra diversi stati. Il progetto ha permesso la misurazione e il trasporto di carica controllato tra giunzioni elettrodo-molecola-elettrodo, ha sviluppato una nuova tecnologia basata sul grafene per la spintronica molecolare e ha confrontato le sue prestazioni con quelle della tecnologia standard basata sui metalli monetari. “L’oro è il materiale preferito per costruire elettrodi distanziati di un nanometro per esperimenti modello nel campo dell’elettronica molecolare, ma questi elettrodi non sono stabili a temperatura ambiente, consentono una scarsa riproducibilità e non permettono l’iniezione di spin. Il grafene, d’altra parte, può consentire tale stabilità. Associa un’alta forza meccanica, un’eccezionale conduttività elettronica e termica, impermeabilità ai gas, stabilità a temperatura ambiente e la sua struttura a 2D ha le potenzialità per giunzioni molecolari più riproducibili,” dice la dott.ssa Crivillers. Grazie ad ACMOL, la tecnologia per realizzare questi elettrodi stabili e i relativi dispositivi molecolari ha fatto progressi considerevoli. Questo però non è che uno di molti successi: il progetto ha fatto una caratterizzazione completa dei dispositivi molecolari a base di grafene dalla temperatura ambiente fino a temperature criogeniche; ha dimostrato come le molecole innestate su un substrato di grafene solido dal punto di vista meccanico potrebbero essere i candidati ideali per la prossima generazione di dispositivi elettronici molecolari; ha sviluppato una nuova metodologia per la produzione di massa di elettrodi nano-distanziati con un confinamento spaziale nella scala del nanometro e un basso consumo di energia; ha ideato una tecnica di rottura-giunzione in carbonio nelle configurazioni della spettroscopia a scansione tunnel (Scanning Tunneling Spectroscopy, STM) introducendo nuove punte di grafite per STM; ha creato nuovi metodi computazionali avanzati per trattare il trasporto quantico dell’elettrone i quali sono stati implementati nel software Smeagol. “I nostri dispositivi possono contribuire a catalizzare lo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi elettronici ad alte prestazioni, economici, non volatili, versatili, ultra veloci e a basso consumo di energia in settori come l’immagazzinamento dei dati ad alta densità, la microelettronica, i (bio) sensori, l’informatica quantica e le tecnologie mediche,” ha spiegato la dott.ssa Crivillers. Anche se il progetto non ambiva ad avventurarsi oltre la ricerca fondamentale, la comprensione e il controllo dello spin della molecola, l’interazione dell’elettrone e lo sviluppo di una tecnologia basata sul grafene contribuiranno certamente alla rivoluzione scientifica e tecnologica della spintronica molecolare. “Crediamo che i risultati di ACMOL aiutino lo sviluppo di nuovi concetti guida delle tecnologie ibride che potrebbero arrivare oltre i limiti dell’attuale tecnologia a base di silicio,” dice la dott.ssa Crivillers. In futuro, prevede applicazioni in materiali stratificati diversi dal grafene, come MoS2, BN o MoSe2. In generale, i risultati tecnici, sperimentali e computazionali di ACMOL possono rendere l’Europa più competitiva nei settori della spintronica molecolare e nelle tecnologie del grafene.
Parole chiave
ACMOL, spintronica, elettronica molecolare, grafene, hard disk drive, elettronica
