Forskere udtænker nye måder at konstruere kulstofbaserede halvledere til fremtidens elektronik

Det kan ligne en rulle hønsenet, men denne lille cylinder af kulstofatomer - for lille til at se med det blotte øje - kunne en dag bruges til at lave elektroniske enheder lige fra nattesynsbriller og bevægelsesdetektorer til mere effektive solceller, takket være teknikker udviklet af forskere ved Duke University.

Deres arbejde er offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

Kulstofnanorør blev først opdaget i begyndelsen af ​​1990'erne og er lavet af enkelte plader af kulstofatomer rullet sammen som et sugerør.

Carbon er ikke ligefrem et nymodens materiale. Alt liv på Jorden er baseret på kulstof. Det er de samme ting, der findes i diamanter, trækul og blyantbly. Det, der gør kulstofnanorør specielle, er deres bemærkelsesværdige egenskaber. Disse små cylindre er stærkere end stål, og alligevel så tynde, at 50.000 af dem ville svare til tykkelsen af ​​et menneskehår.

De er også forbløffende gode til at lede elektricitet og varme, og derfor er kulstofnanorør længe blevet udråbt som potentielle erstatninger for silicium i presset på hurtigere, mindre og mere effektiv elektronik.

Men at producere nanorør med specifikke egenskaber er en udfordring.

Afhængigt af hvordan de er rullet op, betragtes nogle nanorør som metalliske - hvilket betyder, at elektroner kan strømme gennem dem ved enhver energi. Problemet er, at de ikke kan slukkes. Dette begrænser deres brug i digital elektronik, som bruger elektriske signaler, der enten er tændt eller slukket, til at lagre binære tilstande; ligesom siliciumhalvledertransistorer skifter mellem 0 og 1 bit for at udføre beregninger.

Duke kemiprofessor Michael Therien og hans team siger, at de har fundet en vej udenom dette. Fremgangsmåden tager et metallisk nanorør, som altid slipper strøm igennem, og omdanner det til en halvledende form, der kan tændes og slukkes.

Hemmeligheden ligger i specielle polymerer – stoffer, hvis molekyler er hægtet sammen i lange kæder – der snor sig rundt om nanorøret i en velordnet spiral, "som at vikle et bånd om en blyant," sagde førsteforfatter Francesco Mastrocinque, der fik sin kemi-ph.d. . i Theriens laboratorium hos Duke.

Effekten er reversibel, fandt de. Indpakning af nanorøret i en polymer ændrer dets elektroniske egenskaber fra en leder til en halvleder. Men hvis nanorøret pakkes ud, går det tilbage til sin oprindelige metalliske tilstand.

Forskerne viste også, at ved at ændre typen af ​​polymer, der omkranser et nanorør, kunne de konstruere nye typer af halvledende nanorør. De kan lede elektricitet, men kun når den rigtige mængde ekstern energi tilføres.

"Denne metode giver et subtilt nyt værktøj," sagde Therien. "Det giver dig mulighed for at lave en halvleder ved design."

Praktiske anvendelser af metoden er sandsynligvis langt væk. "Vi er langt fra at lave enheder," tilføjede Therien.

Mastrocinque og hans medforfattere siger, at arbejdet er vigtigt, fordi det er en måde at designe halvledere på, der kan lede elektricitet, når de rammes af lys med visse lavenergibølgelængder, som er almindelige, men usynlige for menneskelige øjne.

I fremtiden kan for eksempel Duke-holdets arbejde hjælpe andre med at konstruere nanorør, der registrerer varme frigivet som infrarød stråling, for at afsløre mennesker eller køretøjer skjult i skyggerne. Når infrarødt lys – som det der udsendes af varmblodede dyr – rammer en af ​​disse nanorør-polymer-hybrider, ville det generere et elektrisk signal.

Eller tag solceller:Denne teknik kunne bruges til at lave nanorør-halvledere, der omdanner et bredere spektrum af bølgelængder til elektricitet, for at udnytte mere af solens energi.

På grund af spiralindpakningen på nanorørets overflade kan disse strukturer også være ideelle materialer til nye former for computer- og datalagring, der ud over deres ladning bruger elektronernes spins til at behandle og transportere information.

Flere oplysninger: Francesco Mastrocinque et al., Båndgabåbning af metalliske enkeltvæggede kulstofnanorør via ikke-kovalent symmetribrud, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2317078121

Leveret af Duke University