Al decenia, wetenschappers hebben geprobeerd de unieke eigenschappen van koolstofnanobuisjes te benutten om hoogwaardige elektronica te creëren die sneller is of minder stroom verbruikt, wat resulteert in een langere levensduur van de batterij, snellere draadloze communicatie en hogere verwerkingssnelheden voor apparaten zoals smartphones en laptops.

Maar een aantal uitdagingen hebben de ontwikkeling van hoogwaardige transistors gemaakt van koolstofnanobuisjes belemmerd, kleine cilinders gemaakt van koolstof van slechts één atoom dik. Bijgevolg, hun prestaties zijn ver achtergebleven bij halfgeleiders zoals silicium en galliumarsenide die worden gebruikt in computerchips en persoonlijke elektronica.

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, Materiaalingenieurs van de University of Wisconsin-Madison hebben koolstofnanobuistransistors gemaakt die beter presteren dan de modernste siliciumtransistors.

Onder leiding van Michael Arnold en Padma Gopalan, UW-Madison hoogleraren materiaalkunde en techniek, de koolstofnanobuistransistors van het team bereikten een stroom die 1,9 keer hoger is dan die van siliciumtransistors. De onderzoekers rapporteerden hun vooruitgang in een paper dat vrijdag (2 september) in het tijdschrift werd gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang .

"Deze prestatie is al 20 jaar een droom van nanotechnologie, ", zegt Arnold. "Het maken van koolstofnanobuistransistors die beter zijn dan siliciumtransistors is een grote mijlpaal. Deze doorbraak in transistorprestaties van koolstofnanobuizen is een cruciale stap vooruit in de richting van het gebruik van koolstofnanobuizen in logica, snelle communicatie, en andere halfgeleiderelektronica-technologieën."

Deze vooruitgang zou de weg kunnen effenen voor koolstofnanobuistransistors om siliciumtransistors te vervangen en de prestatieverbeteringen te blijven leveren waar de computerindustrie op vertrouwt en waar consumenten om vragen. De nieuwe transistoren zijn vooral veelbelovend voor draadloze communicatietechnologieën die veel stroom vereisen over een relatief klein gebied.

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.

Transistors van koolstofnanobuisjes moeten vijf keer sneller kunnen presteren of vijf keer minder energie verbruiken dan siliciumtransistors. volgens extrapolaties van metingen van enkele nanobuisjes. De ultrakleine afmeting van de nanobuis maakt het mogelijk om een ​​stroomsignaal dat erover gaat snel te veranderen, wat zou kunnen leiden tot aanzienlijke winsten in de bandbreedte van draadloze communicatieapparatuur.

Maar onderzoekers hebben moeite gehad om puur koolstofnanobuisjes te isoleren, die cruciaal zijn, omdat metalen nanobuisonzuiverheden zich gedragen als koperdraden en hun halfgeleidende eigenschappen verstoren, zoals een kortsluiting in een elektronisch apparaat.

Het UW-Madison-team gebruikte polymeren om selectief de halfgeleidende nanobuisjes te sorteren, het bereiken van een oplossing van ultrazuivere halfgeleidende koolstofnanobuizen.

"We hebben specifieke omstandigheden geïdentificeerd waarin je bijna alle metalen nanobuisjes kunt verwijderen, waar we minder dan 0,01 procent metalen nanobuisjes hebben, " zegt Arnoldus.

Plaatsing en uitlijning van de nanobuisjes is ook moeilijk te controleren.

Om een ​​goede transistor te maken, de nanobuisjes moeten in de juiste volgorde worden uitgelijnd, met precies de juiste afstand, wanneer geassembleerd op een wafer. In 2014, de UW-Madison-onderzoekers overwonnen die uitdaging toen ze een techniek aankondigden, genaamd "drijvende verdampende zelfassemblage, " die hen deze controle geeft.

De nanobuisjes moeten goed elektrisch contact maken met de metalen elektroden van de transistor. Omdat het polymeer dat de UW-Madison-onderzoekers gebruiken om de halfgeleidende nanobuisjes te isoleren ook werkt als een isolerende laag tussen de nanobuisjes en de elektroden, het team "bakte" de nanobuisarrays in een vacuümoven om de isolerende laag te verwijderen. Het resultaat:uitstekende elektrische contacten met de nanobuisjes.

De onderzoekers ontwikkelden ook een behandeling die resten van de nanobuisjes verwijdert nadat ze in oplossing zijn verwerkt.

"Bij ons onderzoek we hebben aangetoond dat we al deze uitdagingen van het werken met nanobuisjes tegelijkertijd kunnen overwinnen, en dat heeft ons in staat gesteld om deze baanbrekende koolstofnanobuistransistors te maken die silicium- en galliumarsenidetransistors overtreffen, " zegt Arnoldus.

De onderzoekers vergeleken hun koolstofnanobuistransistor met een siliciumtransistor van dezelfde grootte, geometrie en lekstroom om een ​​appels-tot-appels vergelijking te maken.

Ze blijven werken aan het aanpassen van hun apparaat aan de geometrie die wordt gebruikt in siliciumtransistors, die met elke nieuwe generatie kleiner worden. Er wordt ook gewerkt aan de ontwikkeling van krachtige radiofrequentieversterkers die mogelijk het signaal van een mobiele telefoon kunnen versterken. Hoewel de onderzoekers hun uitlijn- en depositieproces al hebben opgeschaald naar wafels van 1 inch bij 1 inch, ze werken aan het opschalen van het proces voor commerciële productie.

Arnold zegt dat het opwindend is om eindelijk het punt te bereiken waarop onderzoekers de nanobuisjes kunnen exploiteren om prestatiewinst te behalen in daadwerkelijke technologieën.

"Er is veel hype geweest over koolstofnanobuisjes die niet is gerealiseerd, en dat heeft de kijk van veel mensen een beetje verzuurd, "zegt hij. "Maar we denken dat de hype verdiend is. Het heeft de materiaalwetenschap net tientallen jaren werk gekost om de achterstand in te halen en ons in staat te stellen deze materialen effectief te benutten."

De onderzoekers hebben hun technologie gepatenteerd via de Wisconsin Alumni Research Foundation.