Fremtidig fleksibel elektronik baseret på carbon nanorør:Forbedring af nanorørs transistorydelse med fluorpolymerer

Forskere fra University of Texas i Austin og Northwestern University har demonstreret en ny metode til at forbedre pålideligheden og ydeevnen af ​​transistorer og kredsløb baseret på carbon nanorør (CNT), et halvledermateriale, der længe har været betragtet af videnskabsmænd som en af ​​de mest lovende efterfølgere til silicium for mindre, hurtigere og billigere elektroniske enheder. Resultatet vises i et nyt papir offentliggjort i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver , fra AIP Publishing.

I avisen, forskere undersøgte effekten af ​​en fluorpolymerbelægning kaldet PVDF-TrFE på enkeltvæggede carbon nanorør (SWCNT) transistorer og ringoscillatorkredsløb, og demonstreret, at disse belægninger væsentligt kan forbedre ydeevnen af ​​enkeltvæggede carbon nanorør-enheder. PVDF-TrFE er også kendt under sit lange kemiske navn polyvinyledifluorid-tetrafluorethylen.

"Vi tilskriver forbedringerne til den polære natur af PVDF-TrFE, der afbøder den negative effekt af urenheder og defekter på ydeevnen af ​​halvleder-enkeltvæggede kulstofnanorør, " sagde Ananth Dodabalapur, en professor ved Cockrell School of Engineering ved UT Austin, der ledede forskningen. "Brugen af ​​[PVDF-TrFE] dæklag vil være meget gavnlig for vedtagelsen af ​​enkeltvæggede carbon nanorør-kredsløb i trykt elektronik og fleksible displayapplikationer."

Arbejdet blev udført i samarbejde mellem Dodabalapurs gruppe ved UT Austin og Mark Hersams gruppe ved Northwestern University som en del af et Multi-University Research Initiative (MURI) støttet af Office of Naval Research.

En potentiel efterfølger til siliciumchips

Single-walled carbon nanorør (SWCNT) er næsten de tyndeste rør, der kan fremstilles fra naturen. De er cylindre dannet ved at rulle et materiale op, kendt som grafen, som er en lejlighed, enkeltatom-tykt lag af kulstofgrafit. De fleste enkeltvæggede kulstof nanorør har typisk en diameter tæt på 1 nanometer og kan snoes, fladtrykt og bøjet i små cirkler eller rundt om skarpe sving uden at gå i stykker. Disse ultratynde carbonfilamenter har høj mobilitet, høj gennemsigtighed og elektrisk ledningsevne, hvilket gør dem ideelle til at udføre elektroniske opgaver og lave fleksible elektroniske enheder som tyndfilmstransistorer, tænd-sluk-kontakterne i hjertet af digitale elektroniske systemer.

"Enkeltvæggede kulstof-nanorør-felteffekttransistorer (FET'er) har egenskaber svarende til polykrystallinske silicium-FET'er, en tynd film silicium transistor, der i øjeblikket bruges til at drive pixels i organiske lysemitterende (OLED) skærme, " sagde Mark Hersam, Dodabalapurs kollega og professor ved McCormick School of Engineering and Applied Science ved Northwestern University. "Men enkeltvæggede kulstofnanorør er mere fordelagtige end polykrystallinsk silicium, fordi de kan behandles i opløsning eller printes, hvilket potentielt kan sænke produktionsomkostningerne."

Den mekaniske fleksibilitet af enkeltvæggede kulstof nanorør bør også gøre det muligt for dem at blive inkorporeret i nye applikationer såsom fleksibel elektronik og bærbar elektronik, han sagde.

Årevis, forskere har eksperimenteret med kulstof nanorør-enheder som en efterfølger til silicium-enheder, da silicium snart kunne nå sin fysiske grænse ved at levere stadigt mindre, hurtigere og billigere elektroniske enheder. Selvom kredsløb lavet med enkeltvæggede kulstof nanorør forventes at være mere energieffektive end silicium i fremtiden, deres ulemper ved felteffekttransistorer, såsom høj effekttab og mindre stabilitet, i øjeblikket begrænser deres applikationer inden for trykt elektronik, ifølge Dodabalapur.

En ny teknik til at forbedre ydeevnen af ​​SWCNTs enheder

For at overvinde ulemperne ved enkeltvæggede kulstof-nanorør-felteffekttransistorer og forbedre deres ydeevne, forskerne deponerede PVDF-TrFE på toppen af ​​selvfremstillede enkeltvæggede kulstof-nanorørtransistorer ved inkjet-print, en lavpris, løsningsbaseret deponeringsproces med god rumlig opløsning. Den fluorpolymerbelagte film blev derefter udglødet eller opvarmet i luft ved 140 grader Celsius i tre minutter. Senere, forskere observerede forskellene i enhedens egenskaber.

"Vi fandt væsentlige præstationsforbedringer med det fluorpolymerbelagte enkeltvæggede carbon nanorør både i enhedsniveau og kredsløbsniveau, " bemærkede Dodabalapur.

På enhedsniveau, der forekommer betydelige fald i nøgleparametre såsom off-current størrelse, grad af hysterese, variation i tærskelspænding og forspændingsnedbrydning, hvilken, Dodabalapur sagde, betyder en form for mere energieffektiv, stabile og ensartede transistorer med længere levetid.

På kredsløbsniveau, da en transistor er den mest basale komponent i digitale kredsløb, den forbedrede ensartethed i enhedens egenskaber, plus de gavnlige effekter fra individuelle transistorer resulterer i sidste ende i forbedret ydeevne af et fem-trins komplementært ringoscillatorkredsløb, et af de enkleste digitale kredsløb.

"Oscillationsfrekvensen og amplituden [af det enkeltvæggede carbon nanorør-ringoscillatorkredsløb] er steget med henholdsvis 42 procent og 250 procent, " sagde Dodabalapur. Parametrene indikerer et hurtigere og bedre ydende kredsløb med muligvis reduceret strømforbrug.

Dodabalapur og hans kolleger tilskrev forbedringerne den polære natur af PVDF-TrFE.

"Før enkeltvæggede kulstof-nanorør-felteffekttransistorer blev fremstillet ved inkjet-print, de blev spredt i et organisk opløsningsmiddel for at lave en trykfarve. Efter fremstillingsprocessen, der kan være rester af kemikalier tilbage [på enheden], forårsager baggrundskoncentration af urenheder, " Forklarede Dodabalapur. "Disse urenheder kan fungere som ladede defekter, der fanger ladningsbærere i halvledere og reducerer transportørers mobilitet, som i sidste ende kunne forringe transistors ydeevne."

PVDF-TrFE er et polært molekyle, hvis negative og positive ladninger er adskilt i forskellige ender af molekylet, sagde Dodabalapur. De to ladede ender danner en elektrisk binding, eller dipol, ind i mellem. Efter udglødningsprocessen, dipolerne i PVDF-TrFE-molekyler antager ensartet en stabil orientering, der har en tendens til at ophæve virkningerne af de ladede urenheder i enkeltvæggede kulstof-nanorør-felteffekttransistorer, hvilket lettede bærerflow i halvlederen og forbedrede enhedens ydeevne.

For at bekræfte deres hypotese, Dodabalapur og hans kolleger udførte eksperimenter, der sammenlignede virkningerne af polære og ikke-polære dampe på enkeltvæggede kulstof-nanorør-felteffekttransistorer. Resultaterne understøtter deres antagelse.

Det næste skridt, Dodabalapur sagde, er at implementere mere komplekse kredsløb med enkeltvæggede kulstof-nanorør-felteffekttransistorer.