(Phys.org) - Enkelwandige koolstofnanobuizen kunnen op een dag het silicium in elektronica vervangen, maar om dat te doen, de nanobuisjes moeten worden uitgelijnd in dichte arrays voor optimale prestaties. Tot dusver, de hoogste dichtheid van nanobuisjes is minder dan 50 buisjes/μm, maar in een nieuwe studie hebben onderzoekers dit record verbroken door een dichtheid van meer dan 500 buizen/μm te bereiken. De hogere dichtheid leidt tot betere prestaties, nanobuisjes een stap dichter bij het spelen van een rol in post-siliciumtechnologieën brengen.

De onderzoekers, Qing Cao bij de IBM T.J. Watson onderzoekscentrum in Yorktown Heights, New York, en co-auteurs, hebben hun studie over de dichte arrays van koolstofnanobuisjes gepubliceerd in een recent nummer van Natuur Nanotechnologie .

Zoals de onderzoekers uitlegden, op koolstof nanobuisjes gebaseerde elektronica met de beste elektrische eigenschappen moet nanobuisjes hebben die puur halfgeleidend zijn, die goed op elkaar zijn afgestemd, en die arrays vormen met een zo hoog mogelijke dichtheid, tot het bedekken van de gehele ondergrond.

Om aan deze eisen te voldoen, de onderzoekers gebruikten een fabricagetechniek genaamd de Langmuir-Schaefer-methode, waarbij voorverrijkte halfgeleidende nanobuisjes op een wateroppervlak worden gedispergeerd. De zwevende nanobuisjes spreiden zich uit over het hele oppervlak als gevolg van de oppervlaktespanning. Door een samendrukkende kracht uit te oefenen, worden de nanobuisjes samengevoegd tot goed geordende arrays, en de compressie wordt gestopt wanneer de nanobuisfilm onsamendrukbaar wordt, wat aangeeft dat arrays van nanobuisjes het hele oppervlak hebben bedekt. De resulterende nanobuisarrays hebben een 99% halfgeleidende zuiverheid en zijn binnen 17° van elkaar uitgelijnd.

Zoals de onderzoekers uitleggen, de grootste verbetering komt van de verhoogde dichtheid. Terwijl eerdere arrays met dichtheden van minder dan 50 buizen/μm dichtheid ongeveer 10% van een oppervlak bedekken, de nieuwe array met een dichtheid van 500 buizen/μm kan bijna 100% van een oppervlak bedekken. Beelden van een tunnelelektronenmicroscoop laten verder zien dat een oppervlak met nanobuisjes verpakt in een dubbele laag een geschatte buisdichtheid heeft van wel 1, 100 buizen/μm.

De verhoogde dichtheid zorgt voor aanzienlijke verbeteringen in de eigenschappen van elektronische apparaten gebouwd met nanobuisjes. Bijvoorbeeld, goedkope dunnefilmelektronica kan worden gebouwd op koolstofnanobuisjes en nieuwe toepassingen realiseren zoals economisch wegwerpbare, mechanisch flexibel, en/of optisch transparante elektronische apparaten. De meeste dunne-filmtransistors van koolstofnanobuizen die tot nu toe zijn gerapporteerd, zijn geconstrueerd met array- of netwerkdichtheden van 6-10 buizen / m. Deze beperkte oppervlaktedekking resulteert in een poortcapaciteit per gebied die ongeveer 10 keer lager is dan die van conventionele dunnefilmtransistoren die zijn gebouwd op materialen zoals amorf silicium of oxidehalfgeleiders, wat de werksnelheid verlaagt en de uitgangsweerstand verhoogt. Anderzijds, transistors die zijn gebouwd met nanobuis-arrays met hoge dichtheid kunnen deze beperking volledig overwinnen, wat leidt tot aanzienlijk verbeterde apparaatprestaties.

Onderzoekers verwachten ook dat koolstofnanobuisjes silicium zullen vervangen aan het einde van de huidige opschalingsroutekaart om de wet van Moore verder uit te breiden. Voor dergelijke krachtige toepassingen, hoge buisdichtheid is vereist om een ​​hoge stroomuitgangsdichtheid te bereiken, wat een hogere werksnelheid en een hogere pakkingsdichtheid van het apparaat mogelijk maakt. Vergeleken met de vorige beste resultaten verkregen op apparaten die zijn geconstrueerd met een arraydichtheid van 4 buizen/μm, geschaalde nanotransistoren gebouwd met de high-density arrays demonstreren meerdere malen betere prestaties, met de hoogste transconductantie en stroomdichtheid tot nu toe gerapporteerd voor nanobuistransistors samen met een hoge aan/uit-verhouding van ongeveer 10 ³ .

De onderzoekers voorspellen hier dat de elektrische eigenschappen van de nanobuis-arrays met hoge dichtheid verder kunnen worden verbeterd door verschillende wijzigingen aan te brengen, zoals het verbeteren van het elektrische contact tussen de nanobuis-arrays en metalen elektroden, met behulp van betere nanobuis scheidingstechnieken, en het verbeteren van de apparaatconsistentie. In de toekomst, de onderzoekers zeggen dat de belangrijkste uitdagingen zullen liggen in de eis van extreme technische controle in plaats van de intrinsieke beperkingen van de nanobuisjes zelf.

"Voor hoogwaardige logische toepassingen. Momenteel is ons doel om silicium te vervangen door koolstofnanobuisjes op 5 nm-technologieknooppunt in 2022-23, "Cao vertelde Phys.org . "Er zijn aanzienlijke verbeteringen bereikt, vooral in het materiële aspect, gedurende de afgelopen vijf jaar. Nu kunnen we halfgeleidende en metalen nanobuisjes scheiden met een zuiverheid van meer dan 99%, en assembleer nanobuisjes met een hoge dichtheid. Verdere verbetering om 99,99% zuiverheid te bereiken en defecten tijdens de montage te verminderen, is min of meer een technische controle-uitdaging.

"Tegelijkertijd, er moet meer worden gedaan om het apparaat verder te verbeteren, vooral bij deze extreem geschaalde dimensie. Bijvoorbeeld, de contactweerstand van het apparaat moet worden verminderd met de beperking van de beperkte contactlengte. Er moet een zelf-uitgelijnd proces worden opgezet om sub-10-nm nanobuistransistors te fabriceren om parasitaire capaciteit te minimaliseren. Voor dunnefilmelektronica, Naar mijn mening, koolstofnanobuisjes zijn bijna klaar om te concurreren met andere technologieën op de markt. Er zijn nog enkele verbeteringen nodig op het gebied van betrouwbaarheid en uniformiteit van het apparaat, maar de grote uitdaging is om de geschikte nichetoepassing te vinden."

Copyright 2013 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van Phys.org.