Indkapslingslag holder carbon nanorørstransistorer stabile i det fri

Individuelle transistorer fremstillet af carbon nanorør er hurtigere og mere energieffektive end dem, der er fremstillet af andre materialer. Går fra en enkelt transistor til et integreret kredsløb fuld af transistorer, imidlertid, er et kæmpe spring.

"En enkelt mikroprocessor har en milliard transistorer i sig, "sagde Northwestern Engineering's Mark Hersam." Alle milliarder af dem arbejder. Og ikke kun virker de, men de fungerer pålideligt i årevis eller endda årtier. "

Når man prøver at tage springet fra et individ, nanorørbaseret transistor til integrerede kredsløb i wafer-skala, mange forskerhold, herunder Hersam's, har mødt udfordringer. For en, processen er utrolig dyr, kræver ofte renrum på milliarder dollar for at holde de sarte komponenter i nanostørrelse beskyttet mod de potentielt skadelige virkninger af luft, vand, og støv. Forskere har også kæmpet for at skabe et carbon nanorørbaseret integreret kredsløb, hvor transistorerne er rumligt ensartede på tværs af materialet, som er nødvendig for at det overordnede system skal fungere.

Nu har Hersam og hans team ved Northwestern University fundet en nøgle til at løse alle disse spørgsmål. Hemmeligheden ligger i nyudviklede indkapslingslag, der beskytter kulnanorør mod miljøforringelse.

Understøttet af Office of Naval Research og National Science Foundation, forskningen vises online i Natur nanotekologi den 7. september Tobin J. Marks, Vladimir N. Ipatieff forskningsprofessor i kemi i Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences og professor i materialevidenskab og teknik ved McCormick School of Engineering, medforfatter papiret. Michael Geier, en kandidatstuderende i Hersams laboratorium, var første forfatter.

"En af realiteterne i et nanomateriale, såsom et carbon nanorør, er, at stort set alle dets atomer på overfladen, "sagde Hersam, Walter P. Murphy -professor i materialevidenskab og teknik. "Så alt, hvad der rører overfladen af ​​disse materialer, kan påvirke deres egenskaber. Hvis vi lavede en række transistorer og efterlod dem ude i luften, vand og ilt ville klæbe til overfladen af ​​nanorørene, nedværdigende dem over tid. Vi troede, at tilføjelse af et beskyttende indkapslingslag kunne standse denne nedbrydningsproces for at opnå væsentligt længere levetid. "

Hersam sammenligner sin løsning med en, der i øjeblikket bruges til organiske lysemitterende dioder (LED'er), som oplevede lignende problemer, efter at de først blev realiseret. Mange mennesker antog, at organiske lysdioder ikke ville have nogen fremtid, fordi de forringedes i luft. Efter at forskere udviklede et indkapslingslag til materialet, organiske lysdioder bruges nu i mange kommercielle applikationer, herunder skærme til smartphones, bilradioer, fjernsyn, og digitale kameraer. Fremstillet af polymerer og uorganiske oxider, Hersams indkapslingslag er baseret på den samme idé, men skræddersyet til carbon nanorør.

For at demonstrere bevis for koncept, Hersam udviklede nanorørbaserede statiske random-access memory (SRAM) kredsløb. SRAM er en nøglekomponent i alle mikroprocessorer, ofte udgør så meget som 85 procent af transistorerne i centralbehandlingsenheden i en fælles computer. For at oprette de indkapslede carbon nanorør, holdet deponerede først carbon nanorørene fra en løsning, der tidligere var udviklet i Hersams laboratorium. Derefter belagde de rørene med deres indkapslingslag.

Brug af de indkapslede carbon nanorør, Hersams team har med succes designet og fremstillet arrays af fungerende SRAM -kredsløb. Ikke kun beskyttede indkapslingslagene den følsomme enhed mod miljøet, men de forbedrede rumlig ensartethed blandt individuelle transistorer på tværs af skiven. Mens Hersams integrerede kredsløb viste en lang levetid, transistorer, der blev deponeret fra den samme opløsning, men som ikke var overtrukket, blev nedbrudt inden for få timer.

"Efter at vi har lavet enhederne, vi kan efterlade dem ude i luften uden yderligere forholdsregler, "Sagde Hersam." Vi behøver ikke at lægge dem i et vakuumkammer eller et kontrolleret miljø. Andre forskere har lavet lignende enheder, men blev straks nødt til at lægge dem i et vakuumkammer eller et inert miljø for at holde dem stabile. Det kommer naturligvis ikke til at fungere i en virkelighedssituation. "

Hersam forestiller sig, at hans løsningsbehandlede, luftstabil SRAM kunne bruges i nye teknologier. Fleksible carbon nanorørbaserede transistorer kan erstatte stift silicium for at muliggøre bærbar elektronik. Den billigere fremstillingsmetode åbner også døre for smartkort - kreditkort integreret med personlige oplysninger for at reducere sandsynligheden for svig.

"Smartkort er kun realistiske, hvis de kan realiseres ved hjælp af ekstremt billig produktion, "sagde han." Fordi vores løsning-forarbejdede carbon nanorør er kompatible med skalerbare og billige udskrivningsmetoder, vores resultater kunne muliggøre smartkort og relaterede trykte elektronikapplikationer. "