Kulstof nanorør som transistormateriale

Schweiziske forskere har bygget en transistor, hvis afgørende element er et kulstof nanorør, suspenderet mellem to kontakter, med fremragende elektroniske egenskaber. En ny fremstillingstilgang gjorde det muligt for forskerne at konstruere en transistor uden gatehysterese. Dette åbner op for nye måder at fremstille nanosensorer og komponenter, der forbruger særligt lidt energi.

Grænserne for konventionel mikroteknologi, hovedsageligt baseret på silicium, er nået. Mindre og bedre kan kun opnås ved at bruge nye materialer og teknologier. Det er grunden til, at forskning håber på store ting fra kulstof nanorør (CNT'er), ultrasmå rør på få nanometer i diameter, lavet af rent kulstof.

CNT'er har bemærkelsesværdige strukturelle, mekaniske og elektroniske egenskaber. Forskergruppen ledet af Christofer Hierold, Professor i mikro- og nanosystemer ved ETH Zürich, har til formål at bruge disse i nanoelektronikkomponenter. Han og hans forskergruppe, især doktoranden Matthias Muoth, er det nu lykkedes at konstruere en hysteresefri felteffekttransistor baseret på en individuel CNT med metalliske nano-kontakter. Forskerne rapporterede dette for nylig i "Nature Nanotechnology".

For at bygge transistoren, forskerne tillod en enkelt CNT at vokse mellem to polysiliciumspidser. For god elektrisk kontakt, de dampede palladiummetal på enderne af tubuli på en meget præcis måde. Forskerne inkluderede et glidende låg, skygge masken, for at beskytte midtersektionen af ​​CNT mod uønsket metallisering. Et siliciumsubstrat, også belagt med metal og placeret tre mikrometer under CNT, fungerede som en kontrolterminal kaldet gate.

Den vellykkede fremstilling af transistoren med CNT og den præcise grænseflade mellem dens ender med palladium er ikke de eneste afgørende aspekter for Christofer Hierold. Han anser gennembruddet for at være det faktum, at transistoren ikke viser det, man kalder gate-hysterese. Hysterese er fraværende selv ved en atmosfærisk luftfugtighed på 45 procent. Han betragter dette som "et betydeligt skridt fremad for komponenter beregnet til brug som sensorer."

Hysterese repræsenterer uønskede egenskaber ved et elektronisk system. For eksempel, hvis spændingen ved transistorens styreport øges og derefter reduceres igen, der kan være et uønsket skift i transistorens tærskelspænding. Transistorens egenskaber ved et arbejdspunkt afhænger så af dens historie, for eksempel på de gate-spændinger, den tidligere har været udsat for. Disse uønskede skift i tærskelspændingen stammer også fra ladninger, der kan fanges på defekter i CNT eller i oxider i deres nærhed.

En sådan hysterese observeres ikke, og forskerne betragter dette som et tegn på et transistorarrangement af særlig høj kvalitet med lav defekt, CNT'er med høj renhed.

Den nye komponent åbner interessante anvendelsesmuligheder for sensorer og andre nano-elektromekaniske komponenter. For eksempel kan transistoren bruges i meget følsomme gassensorer eller strain gauges, og også i et resonatorarrangement som en nano-balance. CNT-transistorer kunne også være meget nyttige som filtre til at modtage den korrekte frekvens i mobiltelefoner, da de er mindre og bruger mindre energi end konventionelle frekvensfiltre. Dette involverer brug af elektromekanisk excitation til at få en CNT med en karakteristisk frekvens til at vibrere som en guitarstreng. Alle andre frekvenser, på den anden side, er ude af stand til at excitere nanorøret. Ifølge ETH-professoren. "Det er håbet, at sådanne nano-elektromekaniske filtre vil være bedre end rent elektroniske." Han siger, at under alle omstændigheder, en stor fordel ved de nye komponenter er deres lave energibehov.

Hierold siger, at miniaturiseringen af ​​transistoren endnu ikke er færdig. Kun CNT som en nanostruktur med en diameter på en til tre nanometer og, som vist her, med kanallængder så korte som 30 nanometer og muligvis mindre er blevet "miniaturiseret". Professoren understreger, at "Vi bruger stadig konventionel teknologi til at strukturere spidserne og skyggemasken af ​​den nye komponent."

Den nye teknologi er endnu ikke udviklet til det punkt, hvor den snart vil erstatte transistorer af den slags, der bruges i nutidens computerchips. Imidlertid, Hierold understreger, at "Vi har nu skabt en komponent, der giver os mulighed for at tage et stort skridt fremad, især inden for mikro- og nanosystemteknologi, dvs. inden for integrerede funktionelle materialer til sensorer og aktuatorer. ”