For første gang, carbon nanorør transistorer udkonkurrerer silicium

I årtier, Forskere har forsøgt at udnytte de unikke egenskaber ved kulstofnanorør til at skabe højtydende elektronik, der er hurtigere eller forbruger mindre strøm - hvilket resulterer i længere batterilevetid, hurtigere trådløs kommunikation og hurtigere behandlingshastigheder for enheder som smartphones og bærbare computere.

Men en række udfordringer har hæmmet udviklingen af ​​højtydende transistorer lavet af kulstof nanorør, små cylindre lavet af kulstof kun et atom tyk. Følgelig, deres ydeevne har haltet langt bagefter halvledere som silicium og galliumarsenid, der bruges i computerchips og personlig elektronik.

Nu, for første gang, University of Wisconsin-Madison materialeingeniører har skabt kulstof-nanorørtransistorer, der udkonkurrerer state-of-the-art siliciumtransistorer.

Ledet af Michael Arnold og Padma Gopalan, UW-Madison professorer i materialevidenskab og teknik, holdets carbon nanorør-transistorer opnåede strøm, der er 1,9 gange højere end siliciumtransistorer. Forskerne rapporterede deres fremskridt i et papir offentliggjort fredag ​​(2. september) i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

"Denne præstation har været en drøm om nanoteknologi i de sidste 20 år, " siger Arnold. "At lave kulstof-nanorørtransistorer, der er bedre end siliciumtransistorer, er en stor milepæl. Dette gennembrud i kulstofnanorørs transistorydelse er et kritisk fremskridt hen imod udnyttelse af kulstofnanorør i logik, højhastighedskommunikation, og andre halvlederelektronikteknologier."

Dette fremskridt kunne bane vejen for kulstof-nanorørstransistorer til at erstatte siliciumtransistorer og fortsætte med at levere de præstationsgevinster, som computerindustrien er afhængig af, og som forbrugerne efterspørger. De nye transistorer er særligt lovende til trådløse kommunikationsteknologier, der kræver meget strøm, der flyder over et relativt lille område.

Som nogle af de bedste elektriske ledere nogensinde har opdaget, kulstof nanorør har længe været anerkendt som et lovende materiale til næste generations transistorer.

Kulstof-nanorør-transistorer bør være i stand til at yde fem gange hurtigere eller bruge fem gange mindre energi end siliciumtransistorer, ifølge ekstrapolationer fra enkelt nanorørsmålinger. Nanorørets ultra-lille dimension gør det muligt hurtigt at ændre et strømsignal, der bevæger sig hen over det, hvilket kan føre til betydelige gevinster i båndbredden af ​​trådløse kommunikationsenheder.

Men forskere har kæmpet for at isolere rene kulstof nanorør, som er afgørende, fordi metalliske nanorør-urenheder virker som kobbertråde og forstyrrer deres halvledende egenskaber - som en kortslutning i en elektronisk enhed.

UW-Madison-teamet brugte polymerer til selektivt at sortere de halvledende nanorør, opnå en løsning af ultra-høj renhed halvledende kulstof nanorør.

"Vi har identificeret specifikke forhold, hvor du kan slippe af med næsten alle metalliske nanorør, hvor vi har mindre end 0,01 procent metalliske nanorør, siger Arnold.

Placering og justering af nanorørene er også vanskelig at kontrollere.

For at lave en god transistor, nanorørene skal justeres i den helt rigtige rækkefølge, med den helt rigtige afstand, når de er samlet på en oblat. I 2014 UW-Madison-forskerne overvandt den udfordring, da de annoncerede en teknik, kaldet "flydende fordampende selvsamling, "det giver dem denne kontrol.

Nanorørene skal have gode elektriske kontakter med transistorens metalelektroder. Fordi polymeren, som UW-Madison-forskerne bruger til at isolere de halvledende nanorør, også fungerer som et isolerende lag mellem nanorørene og elektroderne, holdet "bagte" nanorør-arrays i en vakuumovn for at fjerne det isolerende lag. Resultatet:fremragende elektriske kontakter til nanorørene.

Forskerne udviklede også en behandling, der fjerner rester fra nanorørene, efter at de er behandlet i opløsning.

"I vores forskning, vi har vist, at vi samtidig kan overvinde alle disse udfordringer ved at arbejde med nanorør, og det har givet os mulighed for at skabe disse banebrydende carbon nanorør-transistorer, der overgår silicium- og galliumarsenid-transistorer, siger Arnold.

Forskerne benchmarkede deres carbon nanorørtransistor mod en siliciumtransistor af samme størrelse, geometri og lækstrøm for at foretage en æbler-til-æbler sammenligning.

De fortsætter med at arbejde på at tilpasse deres enhed til at matche geometrien, der bruges i siliciumtransistorer, som bliver mindre for hver ny generation. Der arbejdes også på at udvikle højtydende radiofrekvensforstærkere, der muligvis kan booste et mobiltelefonsignal. Mens forskerne allerede har skaleret deres justering og afsætningsproces til 1 tomme gange 1 tomme wafers, de arbejder på at skalere processen op til kommerciel produktion.

Arnold siger, at det er spændende endelig at nå det punkt, hvor forskere kan udnytte nanorørene til at opnå præstationsgevinster i faktiske teknologier.

"Der har været en masse hype om kulstof nanorør, som ikke er blevet realiseret, og det har på en måde forringet mange menneskers syn, " siger han. "Men vi synes, hypen er fortjent. Det har netop taget årtiers arbejde for materialevidenskaben at indhente og give os mulighed for effektivt at udnytte disse materialer."

Forskerne har patenteret deres teknologi gennem Wisconsin Alumni Research Foundation.