Individuele transistors gemaakt van koolstofnanobuisjes zijn sneller en energiezuiniger dan die gemaakt van andere materialen. Gaande van een enkele transistor naar een geïntegreerde schakeling vol transistors, echter, is een reuzensprong.

"Een enkele microprocessor heeft een miljard transistors, "Zei Mark Hersam van Northwestern Engineering. "Alle miljarden van hen werken. En niet alleen werken ze, maar ze werken jarenlang of zelfs decennia betrouwbaar."

Wanneer je probeert de sprong te maken van een individu, op nanobuisjes gebaseerde transistor naar geïntegreerde schakelingen op wafelschaal, veel onderzoeksteams, inclusief die van Hersam, uitdagingen zijn aangegaan. Voor een, het proces is ongelooflijk duur, vaak miljarden dollars aan cleanrooms nodig hebben om de delicate componenten van nanoformaat te beschermen tegen de potentieel schadelijke effecten van lucht, water, en stof. Onderzoekers hebben ook geworsteld om een ​​op koolstof nanobuisjes gebaseerde geïntegreerde schakeling te maken waarin de transistors ruimtelijk uniform zijn over het materiaal, die nodig is om het totale systeem te laten werken.

Nu hebben Hersam en zijn team van de Northwestern University een sleutel gevonden om al deze problemen op te lossen. Het geheim ligt in nieuw ontwikkelde inkapselingslagen die koolstofnanobuisjes beschermen tegen aantasting van het milieu.

Ondersteund door het Office of Naval Research en de National Science Foundation, het onderzoek verschijnt online in Natuur Nanotechnologie op 7 september Tobin J. Marks, de Vladimir N. Ipatieff Research Professor of Chemistry in Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences en professor in materiaalkunde en engineering aan de McCormick School of Engineering, co-auteur van het papier. Michael Geier, een afgestudeerde student in Hersam's lab, was eerste auteur.

"Een van de realiteiten van een nanomateriaal, zoals een koolstofnanobuisje, is dat in wezen al zijn atomen op het oppervlak, " zei Hersam, de Walter P. Murphy hoogleraar Materials Science and Engineering. "Dus alles dat het oppervlak van deze materialen raakt, kan hun eigenschappen beïnvloeden. Als we een reeks transistors zouden maken en ze in de lucht zouden laten, water en zuurstof zouden aan het oppervlak van de nanobuisjes blijven plakken, ze in de loop van de tijd afbreken. We dachten dat het toevoegen van een beschermende inkapselingslaag dit afbraakproces zou kunnen stoppen om een ​​aanzienlijk langere levensduur te bereiken."

Hersam vergelijkt zijn oplossing met een oplossing die momenteel wordt gebruikt voor organische lichtemitterende diodes (LED's), die soortgelijke problemen ondervonden nadat ze voor het eerst werden gerealiseerd. Veel mensen gingen ervan uit dat organische LED's geen toekomst zouden hebben omdat ze in de lucht zouden worden afgebroken. Nadat onderzoekers een inkapselingslaag voor het materiaal hadden ontwikkeld, organische LED's worden nu in veel commerciële toepassingen gebruikt, inclusief displays voor smartphones, autoradio's, televisies, en digitale camera's. Gemaakt van polymeren en anorganische oxiden, De inkapselingslaag van Hersam is gebaseerd op hetzelfde idee, maar dan op maat gemaakt voor koolstofnanobuisjes.

Om proof of concept aan te tonen, Hersam ontwikkelde op nanobuisjes gebaseerde statische random-access memory (SRAM) circuits. SRAM is een belangrijk onderdeel van alle microprocessors, vormen vaak maar liefst 85 procent van de transistors in de centrale verwerkingseenheid in een gewone computer. Om de ingekapselde koolstofnanobuizen te maken, het team deponeerde eerst de koolstofnanobuisjes van een oplossing die eerder in het laboratorium van Hersam was ontwikkeld. Daarna bedekten ze de buizen met hun inkapselingslagen.

Met behulp van de ingekapselde koolstofnanobuizen, Het team van Hersam heeft met succes arrays van werkende SRAM-circuits ontworpen en gefabriceerd. Niet alleen beschermden de inkapselingslagen het gevoelige apparaat tegen de omgeving, maar ze verbeterden de ruimtelijke uniformiteit tussen individuele transistors over de wafer. Terwijl de geïntegreerde schakelingen van Hersam een ​​lange levensduur vertoonden, transistors die uit dezelfde oplossing waren gedeponeerd, maar niet gecoat waren, gingen binnen enkele uren achteruit.

"Nadat we de apparaten hebben gemaakt, we kunnen ze in de lucht laten zonder verdere voorzorgsmaatregelen, "Zei Hersam. "We hoeven ze niet in een vacuümkamer of gecontroleerde omgeving te plaatsen. Andere onderzoekers hebben soortgelijke apparaten gemaakt, maar moesten ze onmiddellijk in een vacuümkamer of inerte omgeving plaatsen om ze stabiel te houden. Dat gaat natuurlijk niet werken in een echte situatie."

Hersam stelt zich voor dat zijn oplossing-verwerkte, luchtstabiel SRAM zou kunnen worden gebruikt in opkomende technologieën. Flexibele op koolstof nanobuisjes gebaseerde transistors zouden stijf silicium kunnen vervangen om draagbare elektronica mogelijk te maken. De goedkopere productiemethode opent ook deuren voor smartcards:creditcards die zijn ingebed met persoonlijke informatie om de kans op fraude te verkleinen.

"Smartcards zijn alleen realistisch als ze kunnen worden gerealiseerd met behulp van extreem goedkope fabricage, " zei hij. "Omdat onze in oplossing verwerkte koolstofnanobuisjes compatibel zijn met schaalbare en goedkope printmethoden, onze resultaten kunnen smartcards en gerelateerde gedrukte elektronicatoepassingen mogelijk maken."