Zwitserse onderzoekers hebben een transistor gebouwd waarvan het cruciale element een koolstofnanobuis is, geschorst tussen twee contacten, met uitstekende elektronische eigenschappen. Dankzij een nieuwe fabricagebenadering konden de wetenschappers een transistor construeren zonder poorthysterese. Dit opent nieuwe manieren om nanosensoren en componenten te vervaardigen die bijzonder weinig energie verbruiken.

De grenzen van conventionele microtechnologie, voornamelijk gebaseerd op silicium, zijn bereikt. Kleiner en beter is alleen haalbaar door gebruik te maken van nieuwe materialen en technologieën. Dit is de reden waarom onderzoek hoopt op geweldige dingen van koolstofnanobuisjes (CNT's), ultrakleine buisjes met een diameter van enkele nanometers, gemaakt van zuivere koolstof.

CNT's hebben opmerkelijke structurele, mechanische en elektronische eigenschappen. De onderzoeksgroep onder leiding van Christofer Hierold, Hoogleraar micro- en nanosystemen aan de ETH Zürich, wil deze toepassen in nano-elektronicacomponenten. Hij en zijn onderzoeksgroep, in het bijzonder de doctoraatsstudent Matthias Muoth, zijn er nu in geslaagd een hysteresisvrije veldeffecttransistor te construeren op basis van een individuele CNT met metalen nano-contacten. Dat meldden de onderzoekers onlangs in “Nature Nanotechnology”.

Om de transistor te bouwen, de onderzoekers lieten een enkele CNT groeien tussen twee polysiliciumtips. Voor een goed elektrisch contact ze verdampen palladiummetaal op de uiteinden van de tubulus op een zeer nauwkeurige manier. De wetenschappers omvatten een schuifdeksel, het schaduwmasker, om de buik van de CNT te beschermen tegen ongewenste metallisatie. Een siliciumsubstraat, ook bedekt met metaal en drie micron onder de CNT geplaatst, fungeerde als een controleterminal genaamd gate.

De succesvolle fabricage van de transistor met de CNT en de precieze koppeling van de uiteinden met palladium zijn niet de enige beslissende aspecten voor Christofer Hierold. De doorbraak ziet hij in het feit dat de transistor geen zogenaamde gate-hysterese vertoont. Hysterese is zelfs bij een luchtvochtigheid van 45 procent afwezig. Hij beschouwt dit als "een flinke stap voorwaarts voor componenten die bedoeld zijn om als sensoren te gebruiken."

Hysterese vertegenwoordigt ongewenste eigenschappen van een elektronisch systeem. Bijvoorbeeld, als de spanning op de stuurpoort van de transistor wordt verhoogd en vervolgens weer verlaagd, er kan een ongewenste verschuiving zijn in de drempelspanning van de transistor. De eigenschappen van de transistor op een werkpunt zijn dan afhankelijk van zijn geschiedenis, bijvoorbeeld op de poortspanningen waaraan het eerder is blootgesteld. Deze ongewenste verschuivingen in de drempelspanning zijn ook afkomstig van ladingen die kunnen worden gevangen op defecten in de CNT of in oxiden in hun omgeving.

Een dergelijke hysterese wordt niet waargenomen en de onderzoekers beschouwen dit als een teken van een bijzonder hoogwaardige transistoropstelling met low-defect, zeer zuivere CNT's.

De nieuwe component opent interessante toepassingsmogelijkheden voor sensoren en andere nano-elektromechanische componenten. De transistor kan bijvoorbeeld worden gebruikt in zeer gevoelige gassensoren of rekstrookjes, en ook in een resonatoropstelling als nanobalans. CNT-transistors kunnen ook erg handig zijn als filters om de juiste frequentie in mobiele telefoons te ontvangen, omdat ze kleiner zijn en minder energie verbruiken dan conventionele frequentiefilters. Dit omvat het gebruik van elektromechanische excitatie om een ​​CNT met een karakteristieke frequentie te laten trillen als een gitaarsnaar. Alle andere frequenties, anderzijds, zijn niet in staat om de nanobuis te exciteren. Volgens de ETH-hoogleraar "Het is te hopen dat dergelijke nano-elektromechanische filters beter zullen zijn dan puur elektronische." Hij zegt dat, in elk geval, een groot voordeel van de nieuwe componenten is hun lage energiebehoefte.

Hierold zegt dat de miniaturisatie van de transistor nog niet voltooid is. Alleen de CNT als nanostructuur met een diameter van één tot drie nanometer en, zoals hier getoond, met kanaallengtes van slechts 30 nanometer en mogelijk minder is "geminiaturiseerd". De professor benadrukt:"We gebruiken nog steeds conventionele technologie voor het structureren van de tips en het schaduwmasker van het nieuwe onderdeel."

De nieuwe technologie is nog niet zo ver gevorderd dat ze binnenkort de transistors zal vervangen die in de huidige computerchips worden gebruikt. Echter, Hierold benadrukt:“We hebben nu een onderdeel gecreëerd waarmee we een grote stap voorwaarts kunnen zetten, vooral in de micro- en nanosysteemtechnologie, dat wil zeggen op het gebied van geïntegreerde functionele materialen voor sensoren en actuatoren.”