Den tætteste række af kulstof nanorør baner vej mod post-silicium teknologi

(Phys.org)—Enkeltvæggede kulstof nanorør kan en dag erstatte silicium i elektronik, men for at gøre det, nanorørene skal justeres i tætte arrays for optimal ydeevne. Indtil nu, den højeste nanorørstæthed er mindre end 50 rør/μm, men i et nyt studie har forskere slået denne rekord ved at opnå en tæthed på mere end 500 rør/μm. Den højere tæthed fører til bedre ydeevne, at bringe nanorør et skridt tættere på at spille en rolle i post-silicium teknologier.

Forskerne, Qing Cao på IBM T.J. Watson Research Center i Yorktown Heights, New York, og medforfattere, har offentliggjort deres undersøgelse om de tætte arrays af kulstofnanorør i et nyligt nummer af Natur nanoteknologi .

Som forskerne forklarede, kulstof nanorør-baseret elektronik med de bedste elektriske egenskaber bør have nanorør, der er rent halvledende, der er godt afstemt, og som danner arrays med en tæthed så høj som muligt, op til at dække hele underlaget.

For at opfylde disse krav, forskerne brugte en fremstillingsteknik kaldet Langmuir-Schaefer-metoden, som involverer at sprede præberigede halvledende nanorør på en vandoverflade. De flydende nanorør breder sig ud for at dække hele overfladen som følge af overfladespændingen. Ved at anvende en trykkraft samles nanorørene i velordnede arrays, og kompressionen stoppes, når nanorørfilmen bliver ukomprimerbar, hvilket indikerer, at nanorør-arrays har dækket hele overfladen. De resulterende nanorør-arrays har en 99% halvledende renhed og er justeret inden for 17° fra hinanden.

Som forskerne forklarer, den største forbedring kommer fra den øgede tæthed. Mens tidligere arrays med tætheder på mindre end 50 rør/μm tæthed dækker omkring 10 % af en overflade, det nye array med en tæthed på 500 rør/μm kan dække næsten 100 % af en overflade. Billeder fra et tunnelelektronmikroskop afslører yderligere, at en overflade med nanorør pakket i et dobbeltlag har en estimeret rørtæthed så høj som 1, 100 rør/μm.

Den øgede tæthed giver væsentlige forbedringer i egenskaberne af elektroniske enheder bygget med nanorør. For eksempel, billig tyndfilmselektronik kunne bygges på kulstof nanorør og realisere nye applikationer såsom økonomisk engangs, mekanisk fleksibel, og/eller optisk gennemsigtige elektroniske enheder. De fleste carbon nanorør tyndfilmstransistorer rapporteret indtil videre er blevet konstrueret med array- eller netværkstætheder på 6-10 rør/μm. Denne begrænsede overfladedækning resulterer i en gate-kapacitans pr. område, der er omkring 10 gange lavere end den for konventionelle tyndfilmstransistorer bygget på materialer som amorft silicium eller oxidhalvledere, hvilket reducerer driftshastigheden og øger udgangsmodstanden. På den anden side, transistorer bygget med high-density nanorør-arrays kan fuldstændigt overvinde denne begrænsning, fører til en væsentligt forbedret enhedsydelse.

Forskere forventer også, at kulstofnanorør erstatter silicium i slutningen af ​​den nuværende skaleringskøreplan for yderligere at udvide Moores lov. Til sådanne højtydende applikationer, høj rørtæthed er påkrævet for at opnå høj strømudgangstæthed, som tillader hurtigere driftshastighed og højere enhedspakningstæthed. Sammenlignet med de tidligere bedste resultater opnået på enheder konstrueret med en array-densitet på 4 rør/μm, skalerede nano-transistorer bygget med high-density arrays demonstrerer flere gange bedre ydeevne, med den hidtil højeste transkonduktans og strømtæthed rapporteret for nanorørtransistorer sammen med et højt on/off-forhold på omkring 10 ³ .

Forskerne her forudsiger, at de elektriske egenskaber af nanorør-arrays med høj tæthed kan forbedres yderligere ved at lave flere modifikationer, såsom forbedring af den elektriske kontakt mellem nanorør-arrays og metalelektroder, ved at bruge bedre teknikker til adskillelse af nanorør, og forbedring af enhedskonsistens. I fremtiden, forskerne siger, at hovedudfordringerne vil ligge i kravet om ekstrem teknisk kontrol frem for de iboende begrænsninger af selve nanorørene.

"For højtydende logiske applikationer. i øjeblikket er vores mål at erstatte silicium med kulstof nanorør ved 5 nm teknologisknude i 2022-23, " fortalte Cao Phys.org . "Der er opnået betydelige forbedringer, især i det materielle aspekt, i løbet af de seneste fem år. Nu kan vi adskille halvledende og metalliske nanorør med en renhed på over 99 %, og samle nanorør ved høj tæthed. Yderligere forbedringer for at opnå 99,99 % renhed og reducere defekter, der er til stede under montering, er mere eller mindre en teknisk kontroludfordring.

"På samme tid, mere arbejde skal gøres for at forbedre enheden yderligere, især ved denne ekstremt skalerede dimension. For eksempel, enhedens kontaktmodstand skal reduceres med begrænsningen af ​​begrænset kontaktlængde. En selvjusteret proces til fremstilling af sub-10-nm nanorørtransistorer skal etableres for at minimere parasitisk kapacitans. Til tyndfilmselektronik, efter min mening, kulstof nanorør er næsten klar til at konkurrere med andre teknologier på markedet. Nogle yderligere forbedringer er stadig nødvendige med hensyn til enhedens pålidelighed og ensartethed, men den store udfordring er at finde den passende nicheapplikation."

Copyright 2013 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra Phys.org.