211service.com
Praktische nanobuis-elektronica
Koolstofnanobuisjes zijn een veelbelovend materiaal voor het maken van beeldschermbesturingscircuits, omdat ze efficiënter zijn dan silicium en kunnen worden opgesteld op flexibele oppervlakken. Tot voor kort was het echter een moeizaam proces om van nanobuisjes transistors te maken. Nu hebben onderzoekers van de University of Southern California grote, functionele arrays van transistors gedemonstreerd die zijn gemaakt met behulp van eenvoudige methoden van batches koolstofnanobuisjes die relatief onzuiver zijn.
Nanobuis-array: Deze foto toont een siliciumwafel van 3 inch bedekt met een reeks koolstof-nanobuistransistors. Hoewel deze transistors zijn gemaakt met behulp van eenvoudige processen bij kamertemperatuur, zijn hun prestaties goed genoeg om displaypixels aan te sturen.
De pixels in een computer- of televisiescherm, of het nu een lcd- of plasmascherm is, worden elk aangestuurd door verschillende transistors. In de apparaten van vandaag zijn deze transistors gemaakt van silicium. Arrays van deze transistors moeten bij hoge temperaturen en in een vacuüm worden gemaakt, dus ze zijn erg duur, zegt Chongwu Zhou , universitair hoofddocent elektrotechniek aan het USC en onderzoeker aan het nanobuisproject.
Transistoren zijn ook gemaakt van koolstofnanobuisjes, maar ook dat brengt uitdagingen met zich mee. Veel mensen gebruiken één nanobuisje om een zeer kleine, krachtige transistor voor computerchips te maken, zegt Zhou. Maar die één-op-één-verhouding werkt niet voor displays, waarbij een groot oppervlak moet worden bedekt met transistors. Als we één nanobuisje voor één transistor gebruiken, zal de opbrengst nooit hoog genoeg zijn om te werken voor grootschalige productie van grote schermen, zegt hij. Zhou gelooft dat zijn aanpak dit probleem zal oplossen door grotere transistors te maken van matten van nanobuisjes.
De USC-onderzoekers maken grote arrays van koolstofnanobuisjestransistors met behulp van oplossingsverwerkingstechnieken bij kamertemperatuur. Ze beginnen met het plaatsen van een siliciumwafel in een chemisch bad om het oppervlak te coaten met een nanobuis-aantrekkende chemische stof, en spoelen vervolgens het residu af. De behandelde wafel wordt vervolgens ondergedompeld in een oplossing van halfgeleidende koolstofnanobuisjes, die door het oppervlak worden aangetrokken. De wafel, nu bedekt met een tapijt van nanobuisjes, wordt weer schoongespoeld. Om van deze warboel transistors te maken, legden de onderzoekers op geselecteerde locaties metalen elektroden. De elektroden bepalen waar elke transistor zich bevindt en dragen elektronen in en uit de nanobuisjes die ertussen liggen. Gebieden van silicium die onder elk apparaat liggen, fungeren als de poorten van de transistors. Tot nu toe hebben ze een prototype-apparaat gebouwd op een siliciumwafel van 4 inch en dit gebruikt om een eenvoudig organisch lichtgevende diodedisplay te besturen. Dit werk wordt online beschreven in het tijdschrift Nano-letters .
Andere onderzoekers hebben transistors gemaakt van tapijten van nanobuisjes met behulp van oplossingsverwerking, maar deze projecten begonnen met mengsels van geleidende en halfgeleidende nanobuisjes, wat leidde tot zeer slechte prestaties. En eind vorig jaar gebruikten onderzoekers van IBM en Northwestern University sterk gezuiverde halfgeleidende nanobuisjes om transistorreeksen met hogere prestaties te maken waarin alle nanobuisjes in bijna rechte lijnen op één lijn liggen, wat hun elektrische eigenschappen verbetert.
Het belang van het USC-werk is dat het laat zien dat arrays die zijn gemaakt van slechts 95 procent halfgeleidende nanobuisjes die niet zijn uitgelijnd, nog steeds goed genoeg presteren voor beeldschermen, zegt Zhou.
Dit is de eerste keer dat iemand in oplossing gedeponeerde, gezuiverde halfgeleidende buizen voor hoogwaardige transistors laat zien, zegt John Rogers , hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. De prestatie ligt in de integratie van verschillende veelbelovende benaderingen om een volledige reeks voor de fabricage van elektronica te demonstreren.
Nu zijn groep de haalbaarheid van deze technieken heeft aangetoond, zegt Zhou, werkt het aan het bouwen van een echt geïntegreerd organisch LED-display dat flexibel en transparant is. Een dergelijk display kan worden opgerold om in een zak te passen, of op de voorruit van een auto worden gemonteerd om informatie aan de bestuurder weer te geven. De eerste stap is het verwijderen van het stijve silicium. Omdat de nanobuisjes bij kamertemperatuur kunnen worden neergelegd, kunnen de USC-onderzoekers ze bouwen op elektrisch actieve plastic platen die niet tegen hoge temperaturen kunnen. Ze zijn ook bezig om de stijve metalen elektroden te vervangen door een coating van indiumtinoxide, een veelgebruikt, flexibel, transparant elektrodemateriaal. In hun prototype zijn de organische LED-pixels met draden verbonden met de transistorarray; om ze te integreren, moeten ze methoden bedenken om de LED's bovenop het besturingscircuit te bouwen.
Zhou zegt met displaybedrijven in gesprek te zijn over het commercialiseren van deze methoden. De Koreaanse displaygigant LG heeft interesse getoond in koolstofnanobuiselektronica en IBM-onderzoekers hebben over het onderwerp gepubliceerd. Het enige bedrijf dat tot nu toe met een elektronisch nanobuisproduct is gekomen, is echter de startup Menlo Park, CA Unidym , die elektroden van het materiaal maakt.
Onderzoekers in het veld praten al jaren over nanobuis-displays, en de vertraging, zegt Mark Hersam van de Northwestern University, is het ontbreken van een voldoende grote voorraad halfgeleidende koolstofnanobuisjes geweest. In 2006 ontwikkelde professor materiaalkunde Hersam een eenvoudige methode om nanobuisjes op basis van hun eigenschappen te zuiveren door ze in een zeepoplossing te centrifugeren. Hij richtte toen een bedrijf op, genaamd NanoIntegris , die halfgeleidende nanobuisjes heeft geleverd aan groepen, waaronder Zhou's en het onderzoeksteam van IBM. Een nieuw opgericht bedrijf in China en een in Japan leveren ook de halfgeleidende nanobuisjes die nodig zijn voor het maken van transistorarrays om beeldschermen aan te sturen.
Met dit aanbod, zegt Hersam, is het slechts een kwestie van tijd voordat een bedrijf met een product komt, of het nu is gemaakt met een methode zoals Zhou's of een andere methode. Ik heb er alle vertrouwen in dat er in de nabije toekomst een reeks producten zal zijn, zegt Hersam. Het is een kwestie van van prototype naar markt gaan.