(Phys.org) —Als het om elektronica gaat, silicium zal nu de schijnwerpers moeten delen. In een onlangs gepubliceerd artikel in Natuurcommunicatie , onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering beschrijven hoe ze een groot probleem in koolstofnanobuistechnologie hebben overwonnen door een flexibele, energie-efficiënt hybride circuit dat dunne-filmtransistors van koolstofnanobuisjes combineert met andere dunne-filmtransistoren. Deze hybride zou de plaats kunnen innemen van silicium als het traditionele transistormateriaal dat wordt gebruikt in elektronische chips, omdat koolstofnanobuisjes transparanter zijn, flexibel, en kan tegen lagere kosten worden verwerkt.

Professor elektrotechniek Dr. Chongwu Zhou en afgestudeerde USC Viterbi-studenten Haïtiaanse Chen, Yu Cao, en Jialu Zhang ontwikkelden dit energiezuinige circuit door koolstofnanobuisjes (CNT) dunnefilmtransistoren (TFT) te integreren met dunnefilmtransistoren bestaande uit indium, gallium en zinkoxide (IGZO).

"Ik kwam met dit concept in januari 2013 " zei dr. Chongwu Zhou, professor in de afdeling Elektrotechniek van USC Viterbi, Ming Hsieh. "Voor die tijd, we werkten hard om te proberen koolstofnanobuisjes om te zetten in n-type transistors en op een dag, het idee kwam bij mij op. In plaats van zo hard te werken om nanobuisjes te dwingen iets te doen waar ze niet goed voor zijn, waarom zoeken we niet gewoon een ander materiaal dat ideaal zou zijn voor n-type transistors - in dit geval IGZO - zodat we complementaire circuits kunnen bereiken?"

Koolstof nanobuisjes zijn zo klein dat ze alleen door een scanning elektronenmicroscoop kunnen worden bekeken. Deze hybridisatie van dunne films van koolstofnanobuisjes en dunne films van IGZO werd bereikt door hun typen te combineren, p-type en n-type, respectievelijk, om circuits te creëren die complementair kunnen werken, het verminderen van vermogensverlies en het verhogen van de efficiëntie. De opname van IGZO dunne-filmtransistors was nodig om energie-efficiëntie te bieden om de levensduur van de batterij te verlengen. Waren er maar koolstofnanobuisjes gebruikt, dan zouden de schakelingen niet energiezuinig zijn. Door de twee materialen te combineren, hun sterke punten zijn samengevoegd en hun zwakke punten zijn verborgen.

Zhou vergeleek de koppeling van koolstof nanobuis TFT's en IGZO TFT's met de Chinese filosofie van yin en yang.

"Het is als een perfect huwelijk, " zei Zhou. "We zijn erg enthousiast over dit idee van hybride integratie en we geloven dat er veel potentieel voor is."

De potentiële toepassingen voor dit soort geïntegreerde schakelingen zijn talrijk, inclusief Organische Light Emitting Diodes (OLED's), digitale schakelingen, radiofrequentie-identificatie (RFID)-tags, sensoren, draagbare elektronica, en flashgeheugenapparaten. Zelfs heads-up displays op voertuigdashboards kunnen binnenkort werkelijkheid worden.

De nieuwe technologie heeft ook grote medische implicaties. Momenteel, geheugen dat in computers en telefoons wordt gebruikt, is gemaakt van siliconensubstraten, het oppervlak waarop geheugenchips zijn gebouwd. Om medische informatie van een patiënt te verkrijgen, zoals hartslag- of hersengolfgegevens, stijve elektrode-objecten worden op verschillende vaste locaties op het lichaam van de patiënt geplaatst. Met dit nieuwe gehybridiseerde circuit, echter, elektroden konden over het hele lichaam van de patiënt worden geplaatst met slechts een enkel groot maar flexibel object.

Met deze ontwikkeling, Zhou en zijn team hebben de moeilijkheid om n-type koolstof nanobuis TFT's en p-type IGZO TFT's te maken omzeild door een hybride integratie van p-type koolstof nanobuis TFT's en n-type IGZO TFT's te creëren en een grootschalige integratie van circuits aan te tonen. Als proof-of-concept, ze bereikten een schaalringoscillator bestaande uit meer dan 1, 000 transistoren. Tot dit punt, alle op koolstof nanobuisjes gebaseerde transistors hadden een maximum aantal van 200 transistors.

"Wij geloven dat dit een technologische doorbraak is, aangezien niemand dit eerder heeft gedaan, " zei Haïtiaanse Chen, onderzoeksassistent en promovendus elektrotechniek bij USC Viterbi. "Dit geeft ons verder bewijs dat we grotere integraties kunnen maken, zodat we meer gecompliceerde circuits voor computers en circuits kunnen maken."

De volgende stap voor Zhou en zijn team zal zijn om meer gecompliceerde circuits te bouwen met behulp van een CNT- en IGZO-hybride die meer gecompliceerde functies en berekeningen bereikt, evenals om schakelingen op flexibele substraten te bouwen.

"De mogelijkheden zijn eindeloos, aangezien digitale circuits in elke elektronica kunnen worden gebruikt, "Zei Chen. "Op een dag zullen we deze circuits net zo gemakkelijk kunnen afdrukken als kranten."

Zhou en Chen geloven dat koolstof nanobuistechnologie, inclusief deze nieuwe CNT-IGZO hybride, zal in de komende 5-10 jaar worden gecommercialiseerd.

"Ik geloof dat dit nog maar het begin is van het creëren van hybride geïntegreerde oplossingen, "zei Zhou. "We zullen veel interessant werk zien aankomen."