Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Metallisk til halvledende nanorørskonvertering forbedrer transistorens ydeevne i høj grad

Når kobber -nanopartikler deponeres på SWNT -netværk (til venstre:justeret netværk; til højre:tværlinjenetværk), nanopartiklerne skaber båndgab i de metalliske SWNT'er, hvilket reducerer lækstrøm og forbedrer en transistors tænd/sluk -forhold. Kredit:D. Asheghali, et al.

(Phys.org)-Fremtidige transistorer lavet af halvledende enkeltvæggede carbon-nanorør (s-SWNT'er) har potentiale til at yde meget bedre end nutidens transistorer. Imidlertid, når SWNT'er dyrkes i løs vægt, kun omkring to tredjedele af dem er halvledende, mens den anden tredjedel er metallisk (m-SWNT). Da m-SWNT'er har en højere ledningsevne end s-SWNT'er, deres tilstedeværelse tillader strømlækage i en transistors slukkede tilstand, hvilket i høj grad reducerer transistorens on/off strømforhold og generelle ydeevne. I en ny undersøgelse, forskere har demonstreret, at simpelthen at dekorere m-SWNT'erne med kobberoxid-nanopartikler kan omdanne dem til s-SWNT'er, hvilket resulterer i en 205-fold stigning i en transistors tænd/sluk-strømforhold.

Forskerne, Darya Asheghali, Pornnipa Vichchulada, og lektor Marcus D. Lay ved University of Georgia i Athen, har offentliggjort deres papir om konvertering af m-SWNT'er til s-SWNT'er i et nyligt nummer af Journal of the American Chemical Society .

Tidligere undersøgelser har forsøgt at overvinde problemet med m-SWNT'er ved at bruge metoder, der ofte er komplekse og dyre. Nogle tilgange indebærer at bruge specialiserede SWNT-vækstmetoder, der vælger til s-SWNT'er, mens andre tilgange involverer eftervækstopløsningsbehandling til fjernelse af m-SWNT'er.

Den fremgangsmåde, der foreslås i det nye studie, kunne give en enklere løsning til at opnå store mængder s-SWNT'er. Efter at have dyrket SWNT'erne ved hjælp af en konventionel bulkvækstmetode, forskerne deponerede sub-10-nm kobberoxid-nanopartikler på alle nanorørene, både metallisk og halvledende. Dette enkelt trin konverterer m-SWNT'erne til s-SWNT'er og forbedrer også de elektriske egenskaber ved de originale s-SWNT'er.

Når forskerne inkorporerede disse dekorerede s-SWNT'er i transistorer, de fandt ud af, at transistorernes on/off strømforhold steg fra ca. 21 til 4300, repræsenterer en forbedring på 205 gange.

Grunden til at nanopartiklerne har denne effekt er på grund af den måde, de ændrer SWNT'ernes båndgab. Da et båndgab er energiområdet i et materiale, hvor elektroner ikke kan eksistere, generelt svarer et stort båndgab til lav elektrisk ledningsevne, og omvendt. Typisk, isolatorer har store båndgab, halvledere har mindre båndgab, og ledere har meget små eller ingen båndgab.

I den aktuelle undersøgelse, m-SWNT'erne oprindeligt ikke har noget båndgab, gør dem til gode ledere. Selvom høj ledningsevne er god, når transistorer er i tændt tilstand (når elektroner strømmer), det er et ansvar i slukket tilstand (hvor elektroner ikke flyder). At være meget ledende, m-SWNT'erne lækker meget strøm i slukket tilstand.

Som forskerne demonstrerer her, kobberoxid-nanopartiklerne kan åbne et båndgab i m-SWNT'erne, som begrænser strømmen og reducerer lækstrømmen kraftigt, når transistoren er i slukket tilstand. Nu hvor m-SWNT'erne har et båndgab, de er pr. definition s-SWNT'er. Nanopartiklerne øger også båndgabene i s-SWNT'erne, hvilket forbedrer både deres ensartethed og nuværende effektivitet.

Forskerne forklarer, at kobberoxid -nanopartikler skaber/øger disse båndgab ved at trække elektrontæthed tilbage fra SWNT'erne ved kontaktpunktet. I en vis forstand, nanopartiklerne virker som små ventiler langs en ledning, der øger SWNT'ernes følsomhed over for portspændinger på bestemte punkter, ændring af ledningsevnen for SWNT'erne generelt.

Selvom forskerne beskriver effekten som en konvertering af metalliske SWNT'er til halvledende SWNT'er, de præciserer også, at når det kommer til stykket, m-SWNT'er er ikke ægte metaller. I stedet, de bør betragtes som halvmetaller eller nulbåndsgab halvledere, fordi ægte metaller ikke kunne gøres følsomme over for portspændingen.

Graphene falder også ind i denne kategori af halvmetaller. Imidlertid, det er mere kompliceret at åbne et båndgab i grafen, fordi grafen er et 2-D-materiale. Forskerne forklarer, at SWNT'ernes 1-D-karakter forenkler processen med tuning af båndgab ved at lade nanopartiklerne virke som ventiler på en ledning og lokalt standse elektrontransport. Denne tilgang kan ikke overføres til plan grafen på grund af dens forskellige geometri.

Denne relativt enkle metode til brug af nanopartikler til at konvertere m-SWNT'er til s-SWNT'er, og den betydelige præstationsforbedring, der resulterer, har stort potentiale til at fremme udviklingen af ​​SWNT-baserede transistorer i fremtiden, samt overføre til andre områder.

"Evnen til at åbne et bånd i grafitbaserede halvledere som SWNT'er og grafen vil have applikationer inden for sensorer og energiomdannelse, "Fortalte Lay Phys.org .

Hvad angår SWNT-felt-effekt-transistorer (FET'er), Lay forklarede, at der stadig er andre udfordringer, før de kan blive kommercielt udbredt.

"Det største problem for SWNT FET'er er manglen på rensnings- og suspensionsdannelsesmetoder, der adskiller de høje aspektforhold SWNT'er, der er nødvendige for strukturelle og elektroniske applikationer, fra sod- og katalysatorpartiklerne, der udgør omkring 50% af SWNT -prøver med almindelige bulkvækstmetoder, "sagde han." En anden vigtig vejspærring er manglen på deponeringsmetoder, der tillader kontrol over densiteten og tilpasningen af ​​SWNT'er. "

Lay og hans gruppe har bidraget betydeligt til disse to områder i en anden nylig undersøgelse 1 .

© 2013 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.




Varme artikler