Bedre kontrol af kulstofnanorørvækst lovende for fremtidig elektronik

(PhysOrg.com)-Forskere har overvundet en stor hindring i bestræbelserne på at bruge bittesmå strukturer kaldet carbon nanorør til at skabe en ny klasse af elektronik, der ville være hurtigere og mindre end konventionelle siliciumbaserede transistorer.

Carbon nanorør, som blev opdaget i begyndelsen af ​​1990'erne, kunne muliggøre mere kraftfuld, kompakte og energieffektive computere, samt ultratynde "nanotråde" til elektroniske kredsløb. Nanorørene kan være ideelle til fremtidig elektronik, fordi de leder elektricitet mere effektivt end noget andet metal, men deres praktiske anvendelse kræver, at de fremstilles efter specifikke standarder.

Nu er forskere i Materials Science Division ved Honda Research Institute USA Inc., Purdue University og University of Louisville har lært, hvordan man styrer dannelsen af ​​carbon nanorør, så de har enten metalliske eller halvledende egenskaber.

"Dette problem med, hvordan man kontrollerer, om man har et metal eller en halvleder, er den vigtigste anstødssten i at lave transistorer ud af carbon nanorør, "sagde Eric Stach, en lektor i materialeteknik på Purdue. "Elektronik i fast tilstand er bygget op omkring, at du kan kontrollere siliciums halvledende egenskaber."

Fundene vil blive detaljeret i en forskningsartikel, der vises fredag ​​(2. oktober) i tidsskriftet Videnskab . Undersøgelsen ledes af Avetik Harutyunyan, hovedforsker ved Honda Research Institute USA Inc. i Columbus, Ohio.

"Dette er den første rapport, der viser, at vi temmelig systematisk kan kontrollere, om kulstofnanorør er metalliske eller halvledende, "Harutyunyan sagde." Vi har en succesrate på 91 procent med at producere metalliske nanorør. "

Siliciumbaserede transistorer styrer elektronstrømmen ved hjælp af specifikke kombinationer af metaller og halvledere. Forskere arbejder på at lære at præcist kontrollere egenskaberne af carbon nanorør, så de kan bruges som både halvleder og metalkomponenter i transistorer.

"Generelt, kulstof er ikke et metal, men carbon nanorør med en bestemt konfiguration er, "Sagde Stach.

Halvledere, såsom silicium, undertiden opfører sig som ledere og nogle gange som isolatorer, hvorimod metaller altid opfører sig som ledere. Forskere har i flere år vidst, at carbon nanorør tilfældigt dannes, så de undertiden er metalliske og nogle gange halvleder, men indtil nu har de ikke kendt de præcise årsager til det.

Carbon nanorør kan visualiseres som lag af carbonatomer i et lag tykt og rulles sammen til rør. Ligesom en skrues stigning, de kan have en anden konfiguration afhængigt af hvordan de ruller op, og denne konfiguration bestemmer, om de leder som et metal eller en halvleder.

Nanorørene "dyrkes" i et vakuumkammer ved at udsætte jernpartikler for metangas. Gassen indeholder kulstof og brint, og jernpartiklerne fungerer som en katalysator til at frigive kulstof fra gassen. Partiklerne opvarmes til omkring 800 grader Celsius, eller mere end 1, 400 grader Fahrenheit. Med stigende eksponering, jernet indeholder til sidst for meget kulstof og bliver "overmættet". Som resultat, carbonet udfældes som et fast stof, får nanorøret til at begynde at danne.

Honda -forskere lærte for nylig, at de kunne kontrollere, om kulstofnanorørene bliver til metal eller halvleder ved enten at bruge argon eller helium som "bærergasser" til at hjælpe med at strømme metanen ind i kammeret i nærværelse af vand.

Forskere i Louisville brugte teknikken til at producere store mængder nanorør og foretog omhyggelige elektriske målinger for at bekræfte, om nanorørene var metalliske eller halvledere.

Purdue-forskere tog billeder i høj opløsning ved hjælp af et instrument kaldet et transmissionselektronmikroskop for at bestemme, hvorfor processen fungerer.

"Instrumentet giver dig mulighed for at tage billeder, mens nanorørene dannes, "Stach sagde." Vi kan se materialernes atomstruktur, mens vi også ser på, hvordan miljøet påvirker dem. "

Purdue -delen af ​​forskningen er baseret på Birck Nanotechnology Center i universitetets Discovery Park.

"Disse fund giver et vindue ind i det intime forhold mellem atomstrukturen i katalysator -nanopartiklen og carbon -nanorøret, der vokser fra den katalysator -nanopartikel, "sagde Timothy D. Sands, Mary Jo og Robert L. Kirk Direktør for Birck Nanotechnology Center. "Resultaterne viser også, at atomstrukturen af ​​katalysator -nanopartiklen kan styres af den omgivende bærergas, en forbindelse, der kan repræsentere det første skridt mod en løsning på en af ​​de mest irriterende udfordringer inden for nanoteknologi. "

Purdue -forskerne lærte, at hvis helium bruges i stedet for argon, jernpartiklerne har en bestemt størrelse og form og har også udtalte facetter, men facetterne formindskes, og partikelstørrelsen varierer, når argon bruges.

"Facetterne dannes næsten i rette vinkler, men når du skifter fra helium til argon, runder disse facetter ud, "Sagde Stach." Helium og tilstedeværelsen af ​​disse stærke facetter, sammen med jernpartiklernes størrelse, ser ud til at være det, der tillader oprettelse af de metalliske nanorør.

"Vores resultater indikerer, at du måske er i stand til at kontrollere katalysatorens størrelse og form tilstrækkeligt til at kontrollere strukturen og dermed ledningsevnen for nanorørene. Det er den første demonstration af et deterministisk forhold mellem katalysatortilstanden og den resulterende nanorørstruktur. "

Forskere er ikke sikre på, hvilken rolle vandet spiller i processen.

"Vandet kan fremme dannelsen af ​​facetterne, og argonen kan på en eller anden måde forhindre vandet i at gøre det, men mere forskning er nødvendig for at bestemme dette, "Sagde Stach.

Arbejdet er i gang og finansieres af Honda.

Kilde:Purdue University (nyheder:web)