A svilupparli i ricercatori degli atenei di Catania, Palermo, Salerno e Firenze e del Politecnico di Milano nell’ambito di un progetto Prin
Lo sviluppo di circuiti integrati con una miniaturizzazione sempre più spinta richiede una comprensione e simulazione di dispositivi su scala nanometrica per la cui descrizione sono necessari complessi modelli matematici, l’inclusione di effetti quantistici e sofisticati metodi di simulazione.
Una delle vie più promettenti per ottenere la miniaturizzazione ottimale (the ultimate miniaturization) è quella di sostituire, nella parte attiva dei dispositivi elettronici, i tradizionali semiconduttori, ad esempio il silicio (con uno spessore dell’ordine del micron) con cristalli bidimensionali (con uno spessore dell’ordine di uno o pochi atomi ovvero sulla scala dell’Angstrom) che recentemente hanno ricevuto una notevole attenzione, in campo mondiale, dagli studiosi nel settore delle nanotecnologie.
Tra questi materiali si annoverano il grafene e cristalli bidimensionali costituiti da metalli di transizione (dicalcogenuri). Si rende necessario ben comprendere le peculiarità del trasporto di cariche e gli effetti termici in tali materiali e al momento i toolbox di simulazione non li includono nei loro menu, almeno in maniera pienamente soddisfacente e con la stessa completezza già presente per i semiconduttori tradizionali.
In questo contesto si inserisce lo sviluppo del progetto dal titolo Transport phenomena in low dimensional structures: models, simulations and theoretical aspects ammesso a finanziamento da parte del Mur nell’ambito PRIN - Progetti di Rilevante Interesse Nazionale.
L’obiettivo principale del progetto, infatti, è sviluppare codici di simulazione per materiali a bassa dimensionalità che senz’altro saranno di grande utilità in ambito Technology computer-aided design (CAD) per il design di nuovi dispositivi elettronici.
Circuiti integrati su scala nanometrica
L’Università di Catania, nell’ambito del progetto, riveste il ruolo di capofila con principal investigator il prof. Vittorio Romano, ordinario di Fisica matematica al Dipartimento di Matematica e Informatica.
Il network include anche i nodi degli atenei di Palermo (responsabile il prof. Fabio Bagarello), di Salerno (responsabile il prof. Vincenzo Tibullo), di Firenze (responsabile il prof. Luigi Barletti), e del Politecnico di Milano (responsabile il prof. Carlo De Falco).
All’unità di Catania partecipano tra gli strutturati i docenti Orazio Muscato e Rita Tracinà, rispettivamente ordinario e associato di Fisica Matematica, e i ricercatori Vito Dario Camiola e Giovanni Nastasi, cui si aggiungono dottorandi e assegnisti.
Il progetto rientra nel macrosettore ERC Physics and Engineering (PE) e più nello specifico nei campi della fisica matematica, del calcolo scientifico, delle applicazioni dalla matematica alle scienze.
Nell’ambito del progetto saranno pure affrontate questioni riguardanti il trasferimento di energia elettrica con cavi innovativi formati da materiale polimerico di struttura complessa i quali presentano aspetti nanometrici che fortemente influenzano la resistività elettrica e la conducibilità termica.
Sotto questo aspetto i risultati del progetto dovrebbero contribuire alla risoluzione del problema della riduzione di dispersione elettrica, con conseguente risparmio energetico, nel trasporto di energia ad ampie distanze, questione di crescente importanza vista la tendenza a delocalizzare gli impianti di produzione di energia rispetto alle aree urbane.
Il gruppo di ricerca del Dipartimento di Matematica e Informatica di Unict coinvolto nel progetto
Per raggiungere le finalità che il progetto si prefigge, si rendono necessarie tutte le competenze matematiche e fisiche che sono presenti tra i vari nodi che partecipano alla ricerca in esame.
Il gruppo di Catania ha una lunga tradizione nella formulazione di modelli matematici e nella simulazione di trasporto di cariche e fononi in semiconduttori, mentre la compagine di Palermo vanta una notevole conoscenza degli aspetti quantistici in presenza di Hamiltoniane anche non Hermitiane, tipiche dei sistemi aperti.
Il team di Salerno si distingue per gli studi sugli effetti termici in nanomateriali, mentre quello di Firenze è ben noto in campo internazionale per le conoscenze di trasporto quantistico, soprattutto tramite l’equazione di Wigner. I ricercatori del Politecnico di Milano, invece, hanno acclarate competenze di calcolo scientifico.
Il numero di dispositivi elettronici che quotidianamente vengono impiegati ha raggiunto un valore esorbitante tanto da richiedere energie non indifferenti e via via sempre più imponenti per il loro funzionamento, con produzioni di calore per niente affatto trascurabili.
I risultati attesi dal progetto rientrano nel contesto di una progettazione finalizzata verso una migliore efficienza energetica e riduzione della produzione di calore nei dispositivi, contribuendo a tal riguardo ai tentativi di riduzione del riscaldamento globale e salvaguardia dell’ambiente tramite un uso ottimale dei materiali su scala nanometrica.
Il prof. Vittorio Romano