Liquidi ionici hanno proprietà uniche come elettrodi per il controllo di nanodispositivi

Pisa, 25 Gennaio, 2019. Ricercatori del Laboratorio NEST della Scuola Normale hanno ottenuto la copertina interna di Advanced Functional Materials, numero del 15 Gennaio, per l’articolo “Ionic-Liquid Gating of InAs Nanowire-Based Field-Effect Transistors”. Il gruppo coordinato da Francesco Rossella ha dimostrato che elettroliti costituiti da liquidi ionici hanno proprietà uniche per il controllo di nanodispositivi mediante l’effetto di campo: i ricercatori hanno osservato un aumento sorprendente della transconduttanza in nanofili di semiconduttore di tipo III-V, e sono riusciti a modificare la dipendenza dalla temperatura delle proprietà elettriche.

Il gruppo ha riportato il primo studio sistematico del funzionamento di transistori a nanofilo di InAs controllati per mezzo di un liquido ionico utilizzato come “gate”. Quest’ultimo permette di modulare l’accumulazione di carica nel nanofilo in modo almeno 40 volte più efficiente rispetto ai convenzionali gate a stato solido basati su sottili strati di ossido. Sfruttando queste caratteristiche, si può controllare il comportamento del liquido in funzione della temperatura, modulandolo da perfetto semiconduttore a un comportamento di tipo metallico. La metodologia concepita in questo lavoro può aprire la strada ad un ampia gamma di studi sia applicativi che fondamentali, dalla transizioni di fase in bassa dimensionalità alla trasduzione ionica-elettronica di segnali elettrici.

La ricerca è stata realizzata presso il Laboratorio NEST della Scuola Normale, da Valeria Demontis (ricercatrice postdoc), Domenic Prete (dottorando), Daniele Ercolani e Fabio Beltram, in stretta collaborazione con Valentina Zannier e Lucia Sorba dell’Istituto Nanoscienze-CNR. Il disegno e la sintesi del liquido ionico utilizzato ed il suo utilizzo a bassa temperatura in nanodispositivi son stati realizzati in collaborazione con con Shimpei Ono del “Central Research Institute of Electric Power Industry”, Yokosuka, Kanagawa (Giappone) e con Johanna Lieb e Benjamin Sacepè presso Univ. Grenoble Alpes, CNRS e Institut Néel, Grenoble (Francia).

“Il controllo di singole nanostrutture mediante effetto di campo implementato con gate a stato solido”, commenta Rossella, “è ampiamente utilizzato in applicazioni all’avanguardia nei settori delle nanoscienze e nanotecnologie. Tuttavia esso presenta alcune criticità: la necessità di architetture di dispositivi di complessità sempre crescente, che può pregiudicarne la scalabilità, e l’entità della modulazione della densità di carica, che può essere insufficiente per osservare fenomeni quali transizioni di fase indotte dall’accumulazione elettrostatica di carica. Per andare oltre le funzionalità dei gate a stato solido”, aggiunge Rossella, “circa 10 anni fa è stato proposto l’uso di gate elettrolitici basati su polimeri. Noi abbiamo esteso questo paradigma includendo elettroliti più performanti basati su liquidi ionici, dimostrando una modulazione superiore della densità di carica in dispositivi basati su nanofili di InAs. I nostri risultati promuoveranno lo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi realizzati con questi nanomateriali, sfruttando architetture con gate ibridi che combinano lo stato solido e la materia soffice.