(Phys.org) - Toekomstige transistors gemaakt van halfgeleidende enkelwandige koolstofnanobuizen (s-SWNT's) hebben het potentieel om veel beter te presteren dan de huidige transistors. Echter, wanneer SWNT's in bulk worden gekweekt, slechts ongeveer tweederde daarvan is halfgeleidend, terwijl het andere een derde van metaal is (m-SWNT's). Omdat m-SWNT's een hogere geleidbaarheid hebben dan s-SWNT's, hun aanwezigheid maakt stroomlekkage mogelijk in de uitgeschakelde toestand van een transistor, wat de aan/uit-stroomverhouding en de algehele prestaties van de transistor aanzienlijk vermindert. In een nieuwe studie, wetenschappers hebben aangetoond dat het eenvoudigweg decoreren van de m-SWNT's met koperoxide nanodeeltjes ze kan omzetten in s-SWNT's, wat resulteert in een 205-voudige toename van de aan / uit-stroomverhouding van een transistor.

De onderzoekers, Darya Asheghali, Pornnipa Vichchulada, en universitair hoofddocent Marcus D. Lay aan de Universiteit van Georgia in Athene, hebben hun paper over het converteren van m-SWNT's naar s-SWNT's gepubliceerd in een recent nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Eerdere studies hebben geprobeerd het probleem van m-SWNT's te overwinnen door methoden te gebruiken die vaak complex en duur zijn. Sommige benaderingen omvatten het gebruik van gespecialiseerde SWNT-groeimethoden die selecteren op s-SWNT's, terwijl andere benaderingen betrekking hebben op de verwerking van oplossingen na de groei om m-SWNT's te verwijderen.

De in de nieuwe studie voorgestelde aanpak zou een eenvoudigere oplossing kunnen bieden om grote hoeveelheden s-SWNT's te verkrijgen. Na het kweken van de SWNT's met behulp van een conventionele bulkgroeimethode, de onderzoekers deponeerden sub-10-nm koperoxide nanodeeltjes op alle nanobuisjes, zowel metallisch als halfgeleidend. Deze enkele stap zet de m-SWNT's om in s-SWNT's en verbetert ook de elektrische eigenschappen van de originele s-SWNT's.

Toen de onderzoekers deze versierde s-SWNT's in transistors verwerkten, ze ontdekten dat de aan / uit-stroomverhoudingen van de transistors toenamen van ongeveer 21 tot 4300, wat neerkomt op een 205-voudige verbetering.

De reden dat de nanodeeltjes dit effect hebben, is vanwege de manier waarop ze de bandgaps van de SWNT's veranderen. Aangezien een band gap het energiebereik is in een materiaal waar elektronen niet kunnen bestaan, over het algemeen komt een grote bandafstand overeen met een lage elektrische geleidbaarheid, en vice versa. Typisch, isolatoren hebben grote bandhiaten, halfgeleiders hebben kleinere bandgaps, en geleiders hebben zeer kleine of geen bandgaten.

In de huidige studie, de m-SWNT's hebben oorspronkelijk geen band gap, waardoor ze goede geleiders zijn. Hoewel een hoge geleidbaarheid goed is wanneer transistors aan staan ​​(wanneer elektronen stromen), het is een verplichting in de uit-stand (waar elektronen niet stromen). Omdat het zeer geleidend is, de m-SWNT's lekken veel stroom in de uit-stand.

Zoals de onderzoekers hier aantonen, de koperoxide-nanodeeltjes kunnen een bandgap in de m-SWNT's openen, die de stroomstroom beperkt en de lekstroom aanzienlijk vermindert wanneer de transistor in de uit-stand staat. Nu de m-SWNT's een band gap hebben, het zijn per definitie s-SWNT's. De nanodeeltjes vergroten ook de bandgaps van de s-SWNT's, wat zowel hun uniformiteit als stroomefficiëntie verbetert.

De onderzoekers leggen uit dat de koperoxide-nanodeeltjes deze bandhiaten creëren/vergroten door de elektronendichtheid op het contactpunt uit de SWNT's te halen. In zekere zin, de nanodeeltjes werken als kleine ventielen langs een draad die de gevoeligheid van de SWNT's voor poortspanningen op bepaalde punten verhogen, het veranderen van de geleidbaarheid van de SWNT's in het algemeen.

Hoewel de onderzoekers het effect beschrijven als een conversie van metalen SWNT's naar halfgeleidende SWNT's, ze verduidelijken ook dat, als het er op aan komt, m-SWNT's zijn geen echte metalen. In plaats daarvan, ze moeten worden beschouwd als halfmetalen of halfgeleiders met een nulbandafstand omdat echte metalen niet gevoelig kunnen worden gemaakt voor de poortspanning.

Grafeen valt ook in deze categorie van halfmetalen. Echter, het is ingewikkelder om een ​​bandgap in grafeen te openen omdat grafeen een 2D-materiaal is. De onderzoekers leggen uit dat de 1-D aard van SWNT's het proces van band gap-afstemming vereenvoudigt door de nanodeeltjes als kleppen op een draad te laten werken en het elektronentransport lokaal te stoppen. Deze benadering kan niet worden overgedragen naar vlak grafeen vanwege de verschillende geometrie.

Deze relatief eenvoudige methode om nanodeeltjes te gebruiken om m-SWNT's om te zetten in s-SWNT's, en de aanzienlijke prestatieverbetering die daaruit voortvloeit, heeft een groot potentieel om de ontwikkeling van op SWNT gebaseerde transistors in de toekomst te bevorderen, maar ook over te dragen naar andere gebieden.

"De mogelijkheid om een ​​bandgap te openen in op grafiet gebaseerde halfgeleiders zoals SWNT's en grafeen zal toepassingen hebben in sensoren en energieconversie, "Leg verteld" Phys.org .

Wat betreft SWNT-veldeffecttransistors (FET's), Lay legde uit dat er nog andere uitdagingen zijn voordat ze commercieel wijdverbreid kunnen worden.

"Het grootste probleem waarmee SWNT FET's worden geconfronteerd, is het gebrek aan zuiverings- en suspensievormingsmethoden die de SWNT's met een hoge aspectverhouding die nodig zijn voor structurele en elektronische toepassingen scheiden van de roet- en katalysatordeeltjes die ongeveer 50% van de SWNT-monsters vormen met gebruikelijke bulkgroeimethoden, " zei hij. "Een andere belangrijke wegversperring is het gebrek aan afzettingsmethoden die controle over de dichtheid en uitlijning van SWNT's mogelijk maken."

Lay en zijn groep hebben in een ander recent onderzoek aanzienlijk bijgedragen aan deze twee gebieden ¹ .

© 2013 Fys.org. Alle rechten voorbehouden.