Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin en de Northwestern University hebben een nieuwe methode gedemonstreerd om de betrouwbaarheid en prestaties van transistors en circuits op basis van koolstofnanobuisjes (CNT) te verbeteren. een halfgeleidermateriaal dat lang door wetenschappers wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende opvolgers van silicium voor kleinere, snellere en goedkopere elektronische apparaten. Het resultaat verschijnt in een nieuw artikel gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven , van AIP Publishing.

In de krant, onderzoekers onderzochten het effect van een fluorpolymeercoating genaamd PVDF-TrFE op enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT) transistors en ringoscillatorcircuits, en toonden aan dat deze coatings de prestaties van enkelwandige koolstofnanobuisjes aanzienlijk kunnen verbeteren. PVDF-TrFE is ook bekend onder de lange chemische naam polyvinyleendifluoride-tetrafluorethyleen.

"We schrijven de verbeteringen toe aan de polaire aard van PVDF-TrFE die het negatieve effect van onzuiverheden en defecten op de prestaties van halfgeleider enkelwandige koolstofnanobuizen vermindert, " zei Ananth Dodabalapur, een professor aan de Cockrell School of Engineering aan de UT Austin die het onderzoek leidde. "Het gebruik van [PVDF-TrFE] afdeklagen zal zeer gunstig zijn voor de acceptatie van enkelwandige koolstofnanobuiscircuits in gedrukte elektronica en flexibele weergavetoepassingen."

Het werk werd gedaan in samenwerking tussen de groep van Dodabalapur aan de UT Austin en de groep van Mark Hersam aan de Northwestern University als onderdeel van een Multi-University Research Initiative (MURI), ondersteund door het Office of Naval Research.

Een potentiële opvolger van siliciumchips

Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT) zijn zowat de dunste buizen die uit de natuur kunnen worden gemaakt. Het zijn cilinders gevormd door het oprollen van een materiaal dat bekend staat als grafeen, dat is een flat, een atoomdikke laag koolstofgrafiet. De meeste enkelwandige koolstofnanobuizen hebben meestal een diameter van bijna 1 nanometer en kunnen worden gedraaid, afgeplat en gebogen in kleine cirkels of rond scherpe bochten zonder te breken. Deze ultradunne koolstoffilamenten hebben een hoge mobiliteit, hoge transparantie en elektrische geleidbaarheid, waardoor ze ideaal zijn voor het uitvoeren van elektronische taken en het maken van flexibele elektronische apparaten zoals dunne-filmtransistors, de aan-uit-schakelaars in het hart van digitale elektronische systemen.

"Enkelwandige koolstofnanobuis-veldeffecttransistoren (FET's) hebben kenmerken die vergelijkbaar zijn met polykristallijne silicium-FET's, een dunne-film siliciumtransistor die momenteel wordt gebruikt om de pixels in organische lichtemitterende (OLED) schermen aan te sturen, " zei Mark Hersam, Dodabalapur's collega en een professor aan de McCormick School of Engineering and Applied Science aan de Northwestern University. "Maar enkelwandige koolstofnanobuizen zijn voordeliger dan polykristallijn silicium omdat ze in een oplossing kunnen worden verwerkt of kunnen worden afgedrukt, wat mogelijk de productiekosten zou kunnen verlagen."

De mechanische flexibiliteit van enkelwandige koolstofnanobuisjes zou het ook mogelijk moeten maken ze te integreren in opkomende toepassingen zoals flexibele elektronica en draagbare elektronica, hij zei.

Voor jaren, wetenschappers hebben geëxperimenteerd met koolstofnanobuisjes als opvolger van siliciumapparaten, aangezien silicium binnenkort zijn fysieke limiet zou kunnen bereiken bij het leveren van steeds kleinere, snellere en goedkopere elektronische apparaten. Hoewel wordt verwacht dat circuits gemaakt met enkelwandige koolstofnanobuisjes in de toekomst energiezuiniger zullen zijn dan siliciumcircuits, hun nadelen in veldeffecttransistoren, zoals hoge vermogensdissipatie en minder stabiliteit, momenteel hun toepassingen in gedrukte elektronica beperken, volgens Dodabalapur.

Een nieuwe techniek om de prestaties van SWCNTs-apparaten te verbeteren

Om de nadelen van enkelwandige koolstofnanobuis-veldeffecttransistoren te overwinnen en hun prestaties te verbeteren, de onderzoekers deponeerden PVDF-TrFE op de top van zelfgefabriceerde enkelwandige koolstofnanobuistransistors door middel van inkjetprinten, een goedkope, oplossingsgericht depositieproces met een goede ruimtelijke resolutie. De met fluorpolymeer beklede film werd vervolgens gedurende drie minuten getemperd of verwarmd in lucht bij 140 graden Celsius. Later, onderzoekers observeerden de verschillen in apparaatkenmerken.

"We hebben substantiële prestatieverbeteringen gevonden met de met fluorpolymeer gecoate enkelwandige koolstofnanobuis, zowel op apparaatniveau als op circuitniveau, ' merkte Dodabalapur op.

Op apparaatniveau is significante dalingen optreden in belangrijke parameters zoals off-current magnitude, mate van hysterese, variatie in drempelspanning en voorspanningsdegradatie, die, Dodabalapur zei, betekent een vorm van energiezuiniger, stabiele en uniforme transistors met een langere levensduur.

Op circuitniveau is aangezien een transistor het meest elementaire onderdeel is in digitale circuits, de verbeterde uniformiteit in apparaatkenmerken, plus de gunstige effecten van individuele transistors resulteren uiteindelijk in verbeterde prestaties van een vijftraps complementair ringoscillatorcircuit, een van de eenvoudigste digitale circuits.

"De oscillatiefrequentie en amplitude [van het enkelwandige koolstof nanobuis-ringoscillatorcircuit] is respectievelijk met 42 procent en 250 procent toegenomen, " zei Dodabalapur. De parameters geven een sneller en beter presterend circuit aan met mogelijk een lager stroomverbruik.

Dodabalapur en zijn collega's schreven de verbeteringen toe aan de polaire aard van PVDF-TrFE.

"Voordat enkelwandige koolstofnanobuis-veldeffecttransistoren werden gefabriceerd door middel van inkjetprinten, ze werden gedispergeerd in een organisch oplosmiddel om een ​​bedrukbare inkt te maken. Na het fabricageproces, er kunnen resterende chemicaliën [op het apparaat] achterblijven, achtergrondonzuiverheidsconcentratie veroorzaken, " legde Dodabalapur uit. "Deze onzuiverheden kunnen fungeren als geladen defecten die ladingsdragers in halfgeleiders opsluiten en de mobiliteit van dragers verminderen, die uiteindelijk de prestaties van transistors zou kunnen verslechteren."

PVDF-TrFE is een polair molecuul waarvan de negatieve en positieve ladingen aan verschillende uiteinden van het molecuul zijn gescheiden, zei Dodabalapur. De twee geladen uiteinden vormen een elektrische binding, of dipool, tussenin. Na het gloeiproces, de dipolen in PVDF-TrFE-moleculen nemen uniform een ​​stabiele oriëntatie aan die de effecten van de geladen onzuiverheden in enkelwandige koolstofnanobuis-veldeffecttransistoren opheft, wat de dragerstroom in de halfgeleider vergemakkelijkte en de prestaties van het apparaat verbeterde.

Om hun hypothese te bevestigen, Dodabalapur en zijn collega's voerden experimenten uit waarbij ze de effecten van polaire en niet-polaire dampen op enkelwandige veldeffecttransistors van koolstofnanobuisjes vergeleken. De resultaten ondersteunen hun veronderstelling.

De volgende stap, Dodabalapur zei, is om complexere circuits te implementeren met enkelwandige koolstofnanobuis-veldeffecttransistoren.