Carbon nanorørfund kan føre til fleksibel elektronik med længere batterilevetid

Materialeingeniører fra University of Wisconsin-Madison har taget et betydeligt spring i retning af at skabe højtydende elektronik med forbedret batterilevetid - og evnen til at bøje og strække.

Ledet af materialevidenskab lektor Michael Arnold og professor Padma Gopalan, holdet har rapporteret om de højest ydende carbon nanorør-transistorer, der nogensinde er demonstreret. Ud over at bane vejen for forbedret forbrugerelektronik, denne teknologi kan også have specifikke anvendelser i industrielle og militære applikationer.

I et papir offentliggjort for nylig i tidsskriftet ACS Nano , Arnold, Gopalan og deres elever rapporterede transistorer med et on-off-forhold på 1, 000 gange bedre og en konduktans, der er 100 gange bedre end tidligere state-of-the-art carbon nanorørstransistorer.

"Carbon nanorør er meget stærke og meget fleksible, så de kan også bruges til at lave fleksible skærme og elektronik, der kan strække og bøje, giver dig mulighed for at integrere elektronik i nye steder som tøj, " siger Arnold. "Fremgangen muliggør nye typer elektronik, som ikke er mulige med de mere skrøbelige materialer, som producenterne bruger i øjeblikket."

Carbon nanorør er enkelte atomare plader af kulstof rullet op til et rør. Som nogle af de bedste elektriske ledere nogensinde er opdaget, kulstof nanorør har længe været anerkendt som et lovende materiale til næste generations transistorer, som er halvlederenheder, der kan fungere som en tænd-sluk-knap til strøm eller forstærke strøm. Dette danner grundlaget for en elektronisk enhed.

Imidlertid, forskere har kæmpet for at isolere rent halvledende kulstof nanorør, som er afgørende, fordi urenheder af metallisk nanorør fungerer som kobbertråde og "kortlægger" enheden. Forskere har også kæmpet for at kontrollere placeringen og justeringen af ​​nanorør. Indtil nu, disse to udfordringer har begrænset udviklingen af ​​højtydende kulstof-nanorørtransistorer.

Bygger på mere end to årtiers forskning i carbon nanorør på området, UW-Madison-teamet trak på banebrydende teknologier, der bruger polymerer til selektivt at sortere de halvledende nanorør fra, opnå en løsning af ultra-høj renhed halvledende kulstof nanorør.

Tidligere teknikker til at justere nanorørene resulterede i mindre end ønskelig pakningstæthed, eller hvor tæt nanorørene er på hinanden, når de er samlet i en film. Imidlertid, UW-Madison-forskerne var banebrydende for en ny teknik, kaldet flydende fordampende selvsamling, eller FESA, som de tidligere i 2014 beskrev i ACS-journalen Langmuir . I den teknik, forskere udnyttede et selvsamlingsfænomen, der blev udløst af en hurtig fordampning af en kulstof-nanorøropløsning.

Holdets seneste fremskridt bringer også feltet tættere på at realisere kulstof-nanorørtransistorer som en mulig erstatning for siliciumtransistorer i computerchips og i højfrekvente kommunikationsenheder, som hurtigt nærmer sig deres fysiske skalerings- og ydelsesgrænser.

"Dette er ikke en trinvis forbedring af ydeevnen, " siger Arnold. "Med disse resultater, vi har virkelig gjort et spring i carbon nanorørstransistorer. Vores carbon nanorørtransistorer har en størrelsesorden bedre i konduktans end de bedste tyndfilmstransistorteknologier, der i øjeblikket bruges kommercielt, mens de stadig tænder og slukker, som en transistor formodes at fungere."

Forskerne har patenteret deres teknologi gennem Wisconsin Alumni Research Foundation og er begyndt at arbejde med virksomheder for at fremskynde teknologioverførslen til industrien.