Przełom w tranzystorach nanorurek

Kontrolowanie wzrostu nanorurek węglowych na dużych powierzchniach jest niezbędne do wytwarzania tranzystorów o wystarczającej mocy wyjściowej i stałych właściwościach do stosowania w obwodach elektronicznych. W znaczącym postępie w kierunku takiej elektroniki opartej na nanorurkach, naukowcy z University of Illinois w Urbana Champaign (UIUC) wyhodowali rzędy idealnie wyrównanych nanorurek węglowych na krysztale kwarcu i wykorzystali te macierze do produkcji tranzystorów. Elektrody w tych tranzystorach graniczą z rzędami nanorurek, dzięki czemu tysiące nanorurek łączą elektrody, zwiększając prąd.

Tranzystory lampowe: Naukowcy z University of Illinois w Urbana Champaign opracowali technikę hodowli tysięcy nanorurek węglowych (pokazanych na niebiesko i biało na tej kolorowej skaningowej mikrofotografii elektronowej). Naukowcy umieszczają elektrody (pokazane w kolorze złotym) po dwóch stronach macierzy nanorurek, aby stworzyć tranzystory, które mają setki nanorurek mostkujących elektrody.

W Natura Nanotechnologia artykuł, badacze, kierowani przez John Rogers , profesor materiałoznawstwa i inżynierii na UIUC, zademonstrował tranzystory wykonane z około 2000 nanorurek, które mogą przenosić prądy o natężeniu jednego ampera – tysiące razy większe niż prąd możliwy w przypadku pojedynczych nanorurek. Naukowcy opracowali również technikę przenoszenia macierzy nanorurek na dowolne podłoże, w tym krzem, plastik i szkło.

Tranzystory nanorurek mogą być stosowane w elastycznych wyświetlaczach i papierze elektronicznym. Ponieważ nanorurki węglowe mogą przenosić prąd z dużo większą prędkością niż krzem, urządzenia mogą być również wykorzystywane w szybkich systemach komunikacji radiowej (RF) i znacznikach identyfikacyjnych. W rzeczywistości zespół badawczy współpracuje z Northrop Grumman nad wykorzystaniem tej technologii w urządzeniach komunikacyjnych RF, mówi Rogers.

Do tej pory wytwarzanie tranzystorów z wielu nanorurek węglowych oznaczało osadzanie elektrod na przypominających siatkę warstwach nieuporządkowanych nanorurek węglowych, mówi Rogers. Ale ponieważ przypadkowo ułożone nanorurki węglowe krzyżują się ze sobą, przy każdym skrzyżowaniu płynące ładunki napotykają na opór, który zmniejsza prąd urządzenia. Idealnie wyrównany układ rozwiązuje ten problem, ponieważ nie ma absolutnie żadnych połączeń nakładających się rura-rurka, mówi Rogers.

Zespół badawczy tworzy macierze poprzez nanoszenie cienkich pasków katalizatora żelazowego na kryształy kwarcu, a następnie hodowanie wzdłuż tych pasków nanorurek węglowych o szerokości nanometra przy użyciu konwencjonalnego osadzania z fazy gazowej węgla. Kryształ kwarcu wyrównuje nanorurki. Następnie naukowcy mogą wytwarzać tranzystory, umieszczając elektrody źródłowe, drenażowe i bramkowe przy użyciu konwencjonalnej fotolitografii.

Naukowcy do tej pory nie byli w stanie wyhodować dobrze wyrównanych macierzy nanorurek, zgodnie z Robert Hauge , profesor chemii, który bada nanorurki węglowe na Uniwersytecie Rice. Rzeczywiście, wyrównanie nie jest już rewelacją, mówi Ali Javey , adiunkt w dziedzinie elektrotechniki i informatyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.

Stworzenie dobrze uporządkowanej matrycy, w której równoległe nanorurki są połączone między elektrodą źródłową a drenażową, jest dużym osiągnięciem, mówi Ryszard Martel , profesor chemii na Uniwersytecie w Montrealu. Nowe prace pozwalają na prawdziwe porównanie tranzystorów nanorurek i tranzystorów krzemowych, ponieważ układ nanorurek daje strukturę płaską podobną do urządzeń krzemowych, mówi. Zrobili dokładnie to, co należało zrobić, a to znaczący krok.

Naukowcy wykonali i przetestowali setki tranzystorów z nanorurek i odkryli, że urządzenia mają stałe właściwości elektryczne, mimo że właściwości każdej nanorurki w urządzeniu mogą się nieznacznie różnić. W każdym urządzeniu pracuje tak duża liczba lamp, że mamy do czynienia z efektem uśredniania statystycznego – mówi Rogers.

Co więcej, właściwości nanorurek nie zmieniają się nawet po przeniesieniu ich na tworzywa sztuczne lub inne podłoża. [Rurki] są fizycznie podnoszone z kwarcu, a następnie drukowane na docelowym podłożu, aby nie zakłócało to położenia i orientacji nanorurek, mówi Rogers. Z powodu tego procesu transferu, mówi, że macierze można zintegrować z produkcją krzemu, aby tworzyć obwody z połączonymi urządzeniami z nanorurek i krzemu – urządzenia z nanorurek mogłyby obsługiwać szybkie operacje obwodu. Aby stworzyć taki chip, wystarczyłoby przenieść macierze nanorurek na płytkę krzemową na początku produkcji. Kiedy już to zrobimy, można by dodać urządzenia krzemowe. Nawet nie myślisz o nich jak o lampach, mówi Roger. W efekcie jest to cienkowarstwowy, jednolity substrat, a ty po prostu wykonujesz swoją obróbkę.

Na razie nowe tranzystory będą przydatne w większych obwodach elektronicznych, takich jak te w elastycznych wyświetlaczach i układach RF, ale aby mogły być stosowane w wysokowydajnej elektronice, takiej jak układy komputerowe, urządzenia potrzebują znacznie lepszej struktury i geometrii, mówi Javey. Na przykład urządzenia musiałyby być znacznie mniejsze niż są teraz: tranzystory mają obecnie dziesiątki mikrometrów długości i szerokości.

Aby tworzyć mniejsze urządzenia, zespół UIUC pracuje nad zagęszczeniem macierzy. Obecnie odległość między sąsiednimi rurkami wynosi 100 nanometrów, ale teoretycznie odległość ta może zejść do zaledwie jednego nanometra bez wpływu na właściwości elektryczne, mówi Martel.

Innym kluczowym obszarem, który wymaga pracy, jest znalezienie skutecznego sposobu wytwarzania urządzeń wyłącznie z półprzewodnikowych nanorurek, mówi Rogers. Zazwyczaj jedna trzecia nanorurek w każdej wyhodowanej partii jest metaliczna, co powoduje przepływ niewielkiego prądu przez tranzystor, nawet gdy jest on wyłączony. Naukowcy używają popularnej sztuczki, aby pozbyć się metalowych lamp: wyłącz tranzystor i przyłóż wysokie napięcie, które zdmuchnie metalowe lampy. Aby jednak produkować dobrej jakości tranzystory na większą skalę, musieliby znaleźć lepszy sposób na pozbycie się metalowych lamp lub selektywną hodowlę lamp półprzewodnikowych. To, według Javeya, ostatni klucz do stworzenia elektroniki z nanorurek.

ukryć