Gezien hun uitstekende mechanische en elektrische eigenschappen, koolstofnanobuisjes zijn aantrekkelijke bouwstenen voor nano-elektromechanische apparaten van de volgende generatie, inclusief hoogwaardige sensoren, logische apparaten, en geheugenelementen. Echter, fabricage-uitdagingen in verband met het creëren van goed geordende arrays van individuele koolstofnanobuisjes en de veelvoorkomende faalwijzen van de nanobuis-apparaten hebben elk grootschalig commercieel gebruik voorkomen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Northwestern University, het Centrum voor Geïntegreerde Nanotechnologieën van Sandia en Los Alamos National Laboratories, en Binghamton University hebben een manier gevonden om de betrouwbaarheid van op koolstof nanobuisjes gebaseerde nano-elektromechanische systemen drastisch te verbeteren. Hun resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Klein .

"Afhankelijk van hun geometrie, deze apparaten hebben de neiging om dicht te blijven, brandwond of breuk na slechts een paar cycli, " zei Horacio Espinosa, James N. en Nancy J. Professor aan de McCormick School of Engineering aan de Northwestern University. "Dit beperkt de praktische toepassing van dergelijke nano-apparaten aanzienlijk. Onze ontdekking kan een sleutel zijn tot het bevorderen van op koolstof nanobuisjes gebaseerde nano-elektromechanische systemen van demonstraties op laboratoriumschaal tot haalbare en aantrekkelijke alternatieven voor veel van onze huidige micro-elektronische apparaten."

Daten, op koolstof nanobuisjes gebaseerde nano-elektromechanische apparaten hebben alom gebruikt metaal, dunne film elektroden. De Northwestern University-groep heeft in samenwerking met SANDIA-onderzoekers deze elektroden vervangen door elektroden gemaakt van diamantachtige koolstof (een elektrisch geleidend en mechanisch robuust materiaal), die het begin van de mislukking onderdrukte. Dit stelde hen in staat om het eerste voorbeeld van nano-elektromechanische apparaten te demonstreren die zijn opgebouwd uit individuele CNT's die betrouwbaar over meerdere cycli schakelen en deze functionaliteit toepassen op geheugenelementen die binaire toestanden opslaan.

"Dit vertegenwoordigt een belangrijke stap in de rijping van op koolstof nanobuisjes gebaseerde apparaattechnologie, ' zei Espinosa.

Het team gebruikte een op koolstof nanobuisjes gebaseerde nano-elektromechanische schakelaar als platform om faalwijzen te bestuderen en mogelijke oplossingen te onderzoeken.

"Deze switch deelt de werkingsprincipes, en dus faalwijzen, met talrijke gerapporteerde apparaten, " zei Owen Loh, een afgestudeerde student in het lab van Espinosa. "Op deze manier, we hopen dat de resultaten breed toepasbaar zullen zijn."

Eerst, het team voerde een parametrische studie uit van de ontwerpruimte van apparaten met conventionele metalen elektroden. Dit maakte het mogelijk het beginpunt van de verschillende faalwijzen binnen de ontwerpruimte te identificeren en benadrukte het zeer beperkte gebied waarin de apparaten betrouwbaar zouden functioneren zonder falen. Vervolgens gebruikten ze computermodellen om de onderliggende mechanismen voor de experimenteel waargenomen faalwijzen te verklaren.

"Met deze modellen we kunnen de geometrie van de geteste apparaten repliceren en uiteindelijk uitleggen waarom ze falen, " zei Xiaoding Wei, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Espinosa.

Het team toonde vervolgens aan dat het gebruik van alternatieve elektrodematerialen zoals diamantachtige koolstof de betrouwbaarheid van deze apparaten aanzienlijk zou kunnen verbeteren. Ze herhaalden een vergelijkbaar parametrisch onderzoek met diamantachtige koolstofelektroden in plaats van dunne metalen films en vonden een dramatische verbetering in de robuustheid van het apparaat. Dit maakte een betrouwbare schakeling van de op koolstof nanobuisjes gebaseerde apparaten mogelijk door talrijke cycli, evenals toepassing op de vluchtige opslag van binaire "0" en "1" toestanden.