Koolstofnanobuisjes kunnen worden gebruikt om zeer kleine elektronische apparaten te maken, maar ze zijn moeilijk te hanteren. Rijksuniversiteit Groningen wetenschappers, samen met collega's van de Universiteit van Wuppertal en IBM Zürich, hebben een methode ontwikkeld om halfgeleidende nanobuisjes uit een oplossing te selecteren en ze zelf-assembleren op een circuit van gouden elektroden. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen op 5 april.

De resultaten zien er bedrieglijk eenvoudig uit:een zelf-geassembleerde transistor met bijna 100 procent zuiverheid en een zeer hoge elektronenmobiliteit. Maar het duurde tien jaar om daar te komen. RUG-hoogleraar Fotofysica en Opto-elektronica Maria Antonietta Loi ontwierp polymeren die zich om specifieke koolstofnanobuisjes wikkelen in een oplossing van gemengde buisjes. Thiolzijketens op het polymeer binden de buizen aan de gouden elektroden, het creëren van de resulterende transistor.

Octrooi

'In ons vorige werk, we hebben veel geleerd over hoe polymeren zich hechten aan specifieke koolstofnanobuisjes', legt Loi uit. Deze nanobuisjes kunnen worden afgebeeld als een opgerolde plaat grafeen, de tweedimensionale vorm van koolstof. 'Afhankelijk van de manier waarop de lakens worden opgerold, ze hebben eigenschappen die variëren van halfgeleider tot halfmetaal tot metaal.' Alleen de halfgeleiderbuizen kunnen worden gebruikt om transistors te fabriceren, maar het productieproces resulteert altijd in een mengsel.

'We kwamen een tijdje geleden op het idee om polymeren met thiolzijketens te gebruiken', zegt Loï. Het idee was dat als zwavel zich bindt aan metalen, het zal in polymeer gewikkelde nanobuisjes naar gouden elektroden leiden. Terwijl Loi aan het probleem werkte, IBM patenteerde het concept zelfs. 'Maar er was een groot probleem in het IBM-werk:de polymeren met thiolen die ook aan metalen nanobuisjes waren bevestigd en deze in de transistors verwerkten, die hen heeft geruïneerd.'

Oplossing

Loi's oplossing was om het thiolgehalte van de polymeren te verlagen, met de hulp van polymeerchemici van de Universiteit van Wuppertal. 'Wat we nu hebben laten zien is dat dit concept van bottom-up assemblage werkt:door polymeren te gebruiken met een lage concentratie thiolen, we kunnen selectief halfgeleidende nanobuisjes uit een oplossing op een circuit brengen.' De zwavel-goudbinding is sterk, dus de nanobuisjes zitten stevig vast:genoeg zelfs om daar te blijven na sonicatie van de transistor in organische oplosmiddelen.

Het productieproces is eenvoudig:metalen patronen worden op een drager gedeponeerd, die vervolgens in een oplossing van koolstofnanobuisjes wordt gedompeld. De elektroden zijn op afstand van elkaar geplaatst om een ​​goede uitlijning te bereiken:'De buizen zijn zo'n 500 nanometer lang, en we plaatsten de elektroden voor de transistors met tussenpozen van 300 nanometer. De volgende transistor is meer dan 500 nanometer verwijderd.' De afstand beperkt de dichtheid van de transistoren, maar Loi is ervan overtuigd dat dit kan worden vergroot met slimme engineering.

'Over de laatste jaren, we hebben een bibliotheek van polymeren gecreëerd die halfgeleidende nanobuisjes selecteren en een beter begrip ontwikkeld van hoe de structuur en samenstelling van de polymeren van invloed is op welke koolstofnanobuisjes ze selecteren', zegt Loï. Het resultaat is een goedkope en schaalbare productiemethode voor nanobuiselektronica. Dus wat is de toekomst voor deze technologie? Loi:'Het is moeilijk te voorspellen of de industrie dit idee zal ontwikkelen, maar we werken aan verbeteringen, en dit zal het idee uiteindelijk dichter bij de markt brengen.'