Koolstofnanobuizen die bestemd zijn voor elektronica, moeten niet alleen zo schoon mogelijk zijn om hun bruikbaarheid in apparaten van de volgende generatie op nanoschaal te maximaliseren, maar contacteffecten kunnen beperken hoe klein een nano-apparaat kan zijn, volgens onderzoekers van het Energy Safety Research Institute (ESRI) van Swansea University in samenwerking met onderzoekers van Rice University.

ESRI-directeur Andrew Barron, ook een professor aan de Rice University in de VS, en zijn team hebben ontdekt hoe nanobuisjes schoon genoeg kunnen worden gemaakt om reproduceerbare elektronische metingen te verkrijgen en hebben daarbij niet alleen uitgelegd waarom de elektrische eigenschappen van nanobuisjes historisch zo moeilijk consistent te meten waren, maar hebben aangetoond dat er een limiet kan zijn aan hoe "nano" toekomstige elektronische apparaten koolstofnanobuisjes kunnen gebruiken.

Zoals elke normale draad, halfgeleidende nanobuisjes zijn over hun lengte steeds beter bestand tegen stroom. Maar geleidbaarheidsmetingen van nanobuisjes door de jaren heen zijn allesbehalve consistent geweest. Het ESRI-team wilde weten waarom.

"We zijn geïnteresseerd in het maken van op nanobuisjes gebaseerde geleiders, en hoewel mensen draden hebben kunnen maken, heeft hun geleiding niet aan de verwachtingen voldaan. We waren geïnteresseerd in het bepalen van de fundamentele schans achter de variabiliteit die door andere onderzoekers werd waargenomen."

Ze ontdekten dat moeilijk te verwijderen verontreinigingen - overgebleven ijzerkatalysator, koolstof en water - kunnen de resultaten van geleidbaarheidstests gemakkelijk vertekenen. Ze wegbranden, Barron zei, creëert nieuwe mogelijkheden voor koolstofnanobuisjes in elektronica op nanoschaal.

De nieuwe studie verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

De onderzoekers maakten eerst meerwandige koolstofnanobuisjes tussen de 40 en 200 nanometer in diameter en tot 30 micron lang. Vervolgens verwarmden ze de nanobuisjes in een vacuüm of bombardeerden ze met argonionen om hun oppervlakken schoon te maken.

Ze testten individuele nanobuisjes op dezelfde manier als een elektrische geleider:door ze met twee sondes aan te raken om te zien hoeveel stroom er door het materiaal van de ene punt naar de andere gaat. In dit geval, hun wolfraamprobes werden bevestigd aan een scanning tunneling microscoop.

In schone nanobuisjes, weerstand werd steeds sterker naarmate de afstand groter werd, zoals het hoort. Maar de resultaten waren scheef toen de sondes oppervlakteverontreinigingen tegenkwamen, waardoor de elektrische veldsterkte aan de punt toenam. En wanneer metingen werden verricht binnen een straal van 4 micron van elkaar, gebieden met verarmde geleidbaarheid veroorzaakt door overlappende verontreinigingen, de resultaten nog verder verpesten.

"We denken dat dit de reden is waarom er zo'n inconsistentie in de literatuur is, ' zei Barron.

"Als nanobuisjes de volgende generatie lichtgewicht geleiders moeten zijn, dan consistente resultaten, batch-naar-batch, en van monster tot monster, is nodig voor apparaten zoals motoren en generatoren, maar ook voor stroomsystemen."

Het gloeien van de nanobuisjes in een vacuüm boven 200 graden Celsius (392 graden Fahrenheit) verminderde oppervlakteverontreiniging, maar niet genoeg om inconsistente resultaten te elimineren, ze vonden. Argon-ionenbombardement maakte ook de buizen schoon, maar leidde tot een toename van defecten die de geleidbaarheid verslechteren.

Uiteindelijk ontdekten ze dat vacuümgloeiende nanobuisjes bij 500 graden Celsius (932 Fahrenheit) de vervuiling voldoende verminderden om de weerstand nauwkeurig te meten, meldden ze.

Tot nu toe, Barron zei, ingenieurs die nanobuisvezels of -films in apparaten gebruiken, wijzigen het materiaal door doping of andere middelen om de geleidende eigenschappen te krijgen die ze nodig hebben. Maar als de bronnanobuisjes voldoende zijn ontsmet, ze moeten in staat zijn om de juiste geleidbaarheid te krijgen door simpelweg hun contacten op de juiste plek te plaatsen.

"Een belangrijk resultaat van ons werk was dat als contacten op een nanobuisje minder dan 1 micron uit elkaar liggen, de elektronische eigenschappen van de nanobuis veranderen van geleider naar halfgeleider, vanwege de aanwezigheid van overlappende uitputtingszones", zei Barron, "Dit heeft een potentiële beperkende factor voor de grootte van op nanobuisjes gebaseerde elektronische apparaten - dit zou de toepassing van de wet van Moore op apparaten met nanobuisjes beperken."