Brug af nye materialer til at lave mere pålidelige nanoelektromekaniske systemer

På grund af deres fremragende mekaniske og elektriske egenskaber, kulstof nanorør er attraktive byggesten til næste generation af nanoelektromekaniske enheder, inklusive højtydende sensorer, logiske enheder, og hukommelseselementer. Imidlertid, produktionsudfordringer forbundet med at skabe velordnede arrays af individuelle kulstof-nanorør og nanorør-enhedernes fremherskende fejltilstande har forhindret enhver kommerciel brug i stor skala.

Nu, forskere ved Northwestern University, Center for Integrerede Nanoteknologier ved Sandia og Los Alamos National Laboratories, og Binghamton University har fundet en måde at dramatisk forbedre pålideligheden af ​​kulstof nanorør-baserede nanoelektromekaniske systemer. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Lille .

"Afhængig af deres geometri, disse enheder har en tendens til at holde sig lukket, forbrænding eller brud efter kun få cyklusser, " sagde Horacio Espinosa, James N. og Nancy J. Professor ved McCormick School of Engineering ved Northwestern University. "Dette begrænser markant enhver praktisk anvendelse af sådanne nanoenheder. Vores opdagelse kan være en nøgle til at fremme carbon nanorør-baserede nanoelektromekaniske systemer fra laboratorie-skala demonstrationer til levedygtige og attraktive alternativer til mange af vores nuværende mikroelektroniske enheder."

Til dato, kulstof nanorør-baserede nanoelektromekaniske enheder har allestedsnærværende brugt metal, tyndfilmselektroder. Northwestern University-gruppen i samarbejde med SANDIA-forskere erstattede disse elektroder med elektroder lavet af diamantlignende kulstof (et elektrisk ledende og mekanisk robust materiale), som undertrykte begyndelsen af ​​fiasko. Dette gjorde det muligt for dem at demonstrere det første eksempel på nanoelektromekaniske enheder konstrueret ud fra individuelle CNT'er, der skifter pålideligt over adskillige cyklusser og anvende denne funktionalitet på hukommelseselementer, der gemmer binære tilstande.

"Dette repræsenterer et væsentligt skridt i modningen af ​​kulstof nanorør-baseret enhedsteknologi, " sagde Espinosa.

Holdet brugte en kulstof nanorør-baseret nanoelektromekanisk switch som en platform til at studere fejltilstande og undersøge potentielle løsninger.

"Denne switch deler driftsprincipper, og dermed fejltilstande, med talrige rapporterede enheder, " sagde Owen Loh, en kandidatstuderende i Espinosas laboratorium. "På denne måde vi håber, at resultaterne vil være bredt anvendelige."

Først, holdet gennemførte en parametrisk undersøgelse af designrummet for enheder, der bruger konventionelle metalelektroder. Dette muliggjorde identifikation af begyndelsespunktet for de forskellige fejltilstande i designrummet og fremhævede det stærkt begrænsede område, hvor enhederne ville fungere pålideligt uden fejl. De brugte derefter beregningsmodeller til at forklare de underliggende mekanismer for de eksperimentelt observerede fejltilstande.

"Ved at bruge disse modeller, vi kan replikere geometrien af ​​de testede enheder og i sidste ende forklare, hvorfor de fejler, " sagde Xiaoding Wei, en post-doc i Espinosas laboratorium.

Holdet viste derefter, at brug af alternative elektrodematerialer som diamantlignende kulstof i høj grad kunne forbedre pålideligheden af ​​disse enheder. De gentog en lignende parametrisk undersøgelse med diamantlignende carbonelektroder i stedet for tynde metalfilm og fandt en dramatisk forbedring i enhedens robusthed. Dette muliggjorde pålidelig omskiftning af de kulstof nanorør-baserede enheder gennem adskillige cyklusser, samt anvendelse til flygtig lagring af binære "0" og "1" tilstande.