Materiaalingenieurs van de University of Wisconsin-Madison hebben een grote sprong gemaakt in de richting van het creëren van hoogwaardigere elektronica met een langere levensduur van de batterij en het vermogen om te buigen en uit te rekken.

Onder leiding van universitair hoofddocent materiaalwetenschap Michael Arnold en professor Padma Gopalan, het team heeft de best presterende koolstofnanobuistransistors ooit gedemonstreerd. Naast het effenen van de weg voor verbeterde consumentenelektronica, deze technologie kan ook specifieke toepassingen hebben in industriële en militaire toepassingen.

In een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd ACS Nano , Arnoldus, Gopalan en hun studenten rapporteerden transistors met een aan-uitverhouding van 1, 000 keer beter en een geleiding die 100 keer beter is dan eerdere state-of-the-art koolstofnanobuistransistors.

"Koolstofnanobuisjes zijn erg sterk en erg flexibel, dus ze kunnen ook worden gebruikt om flexibele displays en elektronica te maken die kunnen uitrekken en buigen, waardoor u elektronica kunt integreren in nieuwe plaatsen zoals kleding, ", zegt Arnold. "De vooruitgang maakt nieuwe soorten elektronica mogelijk die niet mogelijk zijn met de brossere materialen die fabrikanten momenteel gebruiken."

Koolstofnanobuisjes zijn enkele atomaire lagen koolstof die in een buis zijn opgerold. Zoals enkele van de beste elektrische geleiders ooit hebben ontdekt, koolstofnanobuizen worden al lang erkend als een veelbelovend materiaal voor transistors van de volgende generatie, dit zijn halfgeleiderapparaten die kunnen werken als een aan-uitschakelaar voor stroom of stroomversterking. Dit vormt de basis van een elektronisch apparaat.

Echter, onderzoekers hebben geworsteld om puur halfgeleidende koolstofnanobuizen te isoleren, die cruciaal zijn, omdat metalen nanobuisonzuiverheden zich gedragen als koperdraden en het apparaat "kortsluiten". Onderzoekers hebben ook moeite gehad om de plaatsing en uitlijning van nanobuisjes te controleren. Tot nu, deze twee uitdagingen hebben de ontwikkeling van hoogwaardige koolstofnanobuistransistors beperkt.

Voortbouwend op meer dan twee decennia onderzoek naar koolstofnanobuisjes in het veld, het UW-Madison-team maakte gebruik van geavanceerde technologieën die polymeren gebruiken om de halfgeleidende nanobuisjes selectief te sorteren, het bereiken van een oplossing van ultrazuivere halfgeleidende koolstofnanobuizen.

Eerdere technieken om de nanobuisjes uit te lijnen resulteerden in een minder dan gewenste pakkingsdichtheid, of hoe dicht de nanobuisjes bij elkaar zijn wanneer ze in een film worden geassembleerd. Echter, de UW-Madison-onderzoekers pionierden met een nieuwe techniek, zogenaamde drijvende verdampingszelfassemblage, of FESA, die ze eerder in 2014 beschreven in het ACS-tijdschrift Langmuir . In die techniek, onderzoekers maakten gebruik van een fenomeen van zelfassemblage dat werd veroorzaakt door het snel verdampen van een koolstofnanobuisjesoplossing.

De meest recente vooruitgang van het team brengt het veld ook dichter bij het realiseren van koolstofnanobuistransistors als een haalbare vervanging voor siliciumtransistors in computerchips en in hoogfrequente communicatieapparatuur, die snel hun fysieke schaal- en prestatielimieten naderen.

"Dit is geen stapsgewijze verbetering van de prestaties, " zegt Arnold. "Met deze resultaten, we hebben echt een sprong gemaakt in koolstofnanobuistransistors. Onze koolstofnanobuistransistors zijn een orde van grootte beter in geleiding dan de beste dunnefilmtransistortechnologieën die momenteel commercieel worden gebruikt, terwijl ze nog steeds in- en uitschakelen zoals een transistor zou moeten functioneren."

De onderzoekers hebben hun technologie gepatenteerd via de Wisconsin Alumni Research Foundation en zijn begonnen met bedrijven samen te werken om de technologieoverdracht naar de industrie te versnellen.