211service.com
Een doorbraak in nanobuistransistoren
Het beheersen van de groei van koolstofnanobuisjes over grote oppervlakten is essentieel voor het maken van transistors met voldoende stroomuitgangen en consistente eigenschappen voor gebruik in elektronische schakelingen. In een aanzienlijke vooruitgang in de richting van dergelijke op nanobuisjes gebaseerde elektronica, hebben onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana Champaign (UIUC) rijen perfect uitgelijnde koolstofnanobuisjes op kwartskristal gekweekt en deze arrays gebruikt om transistors te maken. De elektroden in deze transistoren begrenzen de rijen nanobuisjes, zodat duizenden nanobuisjes de elektroden overbruggen, waardoor de stroom toeneemt.
Buistransistors: Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana Champaign hebben een techniek ontwikkeld om duizenden koolstofnanobuisjes te laten groeien (weergegeven in blauw en wit in deze ingekleurde scanning-elektronenmicrofoto). De onderzoekers deponeren elektroden (weergegeven in goud) aan twee zijden van de nanobuis-arrays om transistors te maken met honderden nanobuisjes die de elektroden overbruggen.
In een Natuur Nanotechnologie paper, de onderzoekers, onder leiding van John Rogers , een professor in materiaalkunde en engineering aan de UIUC, hebben transistors gedemonstreerd die zijn gemaakt met ongeveer 2.000 nanobuisjes, die stromen kunnen dragen van één ampère-duizendmaal meer dan de stroom die mogelijk is met enkele nanobuisjes. De onderzoekers hebben ook een techniek ontwikkeld om de nanobuis-arrays op elk substraat over te brengen, inclusief silicium, plastic en glas.
De nanobuistransistors kunnen worden gebruikt in flexibele displays en elektronisch papier. Omdat koolstofnanobuisjes stroom kunnen transporteren met veel hogere snelheden dan silicium, zouden de apparaten ook kunnen worden gebruikt in high-speed radiofrequentie (RF) communicatiesystemen en identificatietags. Het onderzoeksteam werkt zelfs samen met Northrop Grumman om de technologie te gebruiken in RF-communicatieapparatuur, zegt Rogers.
Tot nu toe betekende het maken van transistors met meerdere koolstofnanobuizen het deponeren van elektroden op gaasachtige lagen van niet-uitgelijnde koolstofnanobuizen, zegt Rogers. Maar omdat de willekeurig gerangschikte koolstofnanobuisjes elkaar kruisen, hebben vloeiende ladingen bij elke kruising te maken met een weerstand, die de stroom van het apparaat vermindert. De perfect uitgelijnde array lost dit probleem op, omdat er absoluut geen overlappende overgangen tussen buis en buis zijn, zegt Rogers.
Het onderzoeksteam maakt de arrays door dunne stroken van een ijzerkatalysator op kwartskristallen te vormen en vervolgens nanometer-brede koolstofnanobuisjes langs die stroken te laten groeien met behulp van conventionele koolstofdampafzetting. Het kwartskristal lijnt de nanobuisjes uit. Vervolgens kunnen de onderzoekers transistors maken door source-, drain- en gate-elektroden te deponeren met behulp van conventionele fotolithografie.
Onderzoekers zijn tot nu toe niet in staat geweest om goed uitgelijnde nanobuis-arrays te laten groeien, volgens Robert Hauge , een professor in de chemie die koolstofnanobuisjes bestudeert aan de Rice University. Uitlijning is inderdaad niet langer een showstopper, zegt Ali Javey , een assistent-professor in elektrotechniek en computerwetenschappen aan de University of California, Berkeley.
Het maken van een goed geordende array waarin parallelle nanobuisjes zijn verbonden tussen de source- en drain-elektroden is een grote prestatie, zegt Richard Martel , een professor scheikunde aan de Universiteit van Montreal. Het nieuwe werk maakt een echte vergelijking mogelijk tussen nanobuistransistors en siliciumtransistors omdat een reeks nanobuisjes een vlakke structuur geeft die lijkt op siliciumapparaten, zegt hij. Ze hebben precies gedaan wat er moest gebeuren, en het is een belangrijke stap.
De onderzoekers hebben honderden nanobuistransistors gemaakt en getest, en ze ontdekten dat de apparaten consistente elektrische eigenschappen hebben, hoewel de eigenschappen van elke nanobuis in een apparaat enigszins kunnen variëren. Er is zo'n groot aantal buizen in elk apparaat dat er een statistisch middelingseffect is, zegt Rogers.
Bovendien veranderen de eigenschappen van de nanobuisjes niet, zelfs niet als ze worden overgebracht naar kunststoffen of andere substraten. [De] buizen worden fysiek van kwarts getild en vervolgens op het doelsubstraat gedrukt, zodat het de positie en oriëntatie van de nanobuisjes niet verstoort, zegt Rogers. Vanwege dit overdrachtsproces, zegt hij dat de arrays kunnen worden geïntegreerd met siliciumfabricage om circuits te maken met onderling verbonden nanobuisjes en siliciumapparaten - de nanobuisjes kunnen de snelle bewerkingen van het circuit aan. Om zo'n chip te maken, zou men alleen aan het begin van de fabricage de nanobuis-arrays naar de siliciumwafer hoeven over te brengen. Zodra dat is gebeurd, zou men siliciumapparaten kunnen toevoegen. Je ziet ze niet eens als buizen, zegt Roger. In feite is het een dunne-film uniform substraat, en u doet gewoon uw verwerking.
Voorlopig zullen de nieuwe transistors nuttig zijn voor grotere elektronische circuits zoals die in flexibele displays en RF-chips, maar om te worden gebruikt in hoogwaardige elektronica zoals computerchips, hebben de apparaten een veel betere structuur en geometrie nodig, zegt Javey. Zo zouden de apparaten veel kleiner moeten zijn dan ze nu zijn: de transistors zijn nu tientallen micrometers lang en breed.
Om kleinere apparaten te maken, werkt het UIUC-team aan het dichter maken van de arrays. Op dit moment is de afstand tussen aangrenzende buizen 100 nanometer, maar theoretisch zou deze scheiding kunnen worden teruggebracht tot slechts één nanometer zonder de elektrische eigenschappen te beïnvloeden, zegt Martel.
Een ander belangrijk gebied waar nog aan moet worden gewerkt, is het vinden van een effectieve manier om apparaten te maken met alleen halfgeleidende nanobuisjes, zegt Rogers. Meestal is een derde van de nanobuisjes in elke volwassen batch van metaal, waardoor er een kleine stroom door een transistor vloeit, zelfs als deze is uitgeschakeld. De onderzoekers gebruiken een veelvoorkomende truc om metalen buizen kwijt te raken: zet een transistor uit en zet een hoge spanning op die de metalen buizen uitblaast. Maar om op grotere schaal transistors van goede kwaliteit te maken, zouden ze een betere manier moeten vinden om de metalen buizen kwijt te raken of selectief halfgeleidende buizen te laten groeien. Dat is volgens Javey de laatste grote sleutel voor het maken van nanobuis-elektronica.