Original: http://news.wisc.edu/for-first-time-carbon-nanotube-transistors-outperform-silicon/

 

2 вересня 2016 р.       Автор: Адам Мейлсік

 

Інженери Університету Вісконсин-Медісон використовувати процес вирішення для осадження вирівняних масивів вуглецевих нанотрубок на 1 дюйм на 1 дюйм підкладок. Дослідники використовували їх масштабується і швидкого процесу осадження, щоб покрити всю поверхню цієї підкладки з вирівняних вуглецевих нанотрубок менш ніж за 5 хвилин. Прорив команди може прокласти шлях для вуглецевих нанотрубок транзисторів, щоб замінити кремнієві транзистори, і є особливо перспективним для бездротових комунікаційних технологій. СТЕФАНІ ПРЕКУР

МЕДІСОН – Протягом багатьох десятиліть учені намагалися використовувати унікальні властивості вуглецевих нанотрубок для створення електронних високопродуктивних, які швидше або споживають менше енергії – в результаті збільшення терміну служби батареї, більш швидкий бездротового зв’язку і більш високій швидкості обробки для пристроїв, таких як смартфони і ноутбуки.

Але ряд проблем, які перешкоджають розвитку високопродуктивних транзисторів, виготовлених з вуглецевих нанотрубок, крихітні циліндри з вуглецю товщиною всього в один атом. Отже, їх продуктивність значно відстає від напівпровідників, таких як арсенід галію і кремнію, використовуваного в комп’ютерних чіпів і персональної електроніки.

Тепер, уперше, Університет Вісконсин-Медісон матеріалів інженери створили транзистори вуглецевих нанотрубок, що перевершують впроваджений кремнієвих транзисторів.

На чолі з Майклом Арнольдом і Падмою Гопаланом, професорами матеріалознавства й інженерії Університету Вісконсин-Медісон, вуглецевих нанотрубок транзисторів команди струму досягається це в 1,9 рази вище, ніж у кремнієвих транзисторів. Дослідники повідомили, що їх прогрес в роботі, опублікованій у п’ятницю (2 вересня) в журналі “Наукові досягнення”.

 

 

“Це досягнення було мрією нанотехнологій останні 20 років”, – говорить Арнольд. “Створення вуглецевих нанотрубок транзисторів, які перевершують кремнієві транзистори, є великою віхою. Цей прорив у продуктивності вуглецевих нанотрубок транзистора критичний для просування до експлуатації вуглецевих нанотрубок в логіці, високошвидкісному зв’язку, а також інших технологіях напівпровідникової електроніки”.

Це досягнення може прокласти шлях для вуглецевих нанотрубок транзисторів, замінити кремнієві транзистори і продовжити постачати приріст продуктивності в комп’ютерній індустрії, і грунтується на тому, що попит споживачів. Нові транзистори особливо перспективними для бездротових комунікаційних технологій, які вимагають великого струму, що протікає через відносно невеликій площі.

Оскільки деякі з кращих електричних провідників коли-небудь виявлених, вуглецеві нанотрубки вже давно визнані в якості перспективного матеріалу для транзисторів нового покоління.

Вуглецеві нанотрубки транзисторів повинні бути в змозі виконувати в п’ять разів швидше, або використовувати в п’ять разів менше енергії, ніж кремнієвих транзисторів, відповідно до екстраполяцією з одиночних вимірювань нанотрубками. сверкомпактная розмір нанотрубки дозволяє швидко змінити поточний сигнал, що йде через нього, що може привести до істотного поліпшення в пропускної здатності пристроїв бездротового зв’язку.

Але дослідники намагалися виділити чисто вуглецеві нанотрубки, які мають вирішальне значення, так як металеві домішки нанотрубки діють як мідні дроти і порушити їх напівпровідникові властивості – як коротке замикання в електронному пристрої.

Команда Університету Вісконсин-Медісон використовувала полімери для селективного сортування напівпровідниковими нанотрубками, досягнення рішення надвисокої чистоти напівпровідникових вуглецевих нанотрубок.

“Ми визначили конкретні умови, у яких ви можете позбутися майже всіх металевих нанотрубок, де ми маємо менше 0,01 відсотка металевих нанотрубок“, – говорить Арнольд.

Розміщення і вирівнювання нанотрубок також важко контролювати.

Щоб зробити хороший транзистор, вуглецеві нанотрубки повинні бути вирівняні тільки в потрібному порядку, з тільки правильним кроком, коли зібраний на пластині. У 2014 році дослідники Університету Вісконсин-Медісон подолали цей виклик, коли вони оголосили техніку, яка називається “плаваючою випарною самозбіркою”, що дає їм цей контроль.

Нанотрубки повинні встановити хороші електричні контакти з металевими електродами транзистора. Оскільки полімер, який дослідники Університету Вісконсин-Медісон використовують для ізоляції напівпровідниковими нанотрубками, також діє як ізолюючий шар між нанотрубками і електродами, команда “запечені” нанотрубки масиви у вакуумній печі, щоб видалити ізолюючий шар. Результат: відмінні електричні контакти з нанотрубками.

Дослідники також розробили метод лікування, який видаляє залишки з нанотрубок після того, як вони обробляються в розчині.

“У нашому дослідженні ми показали, що ми можемо одночасно подолати всі ці проблеми роботи з нанотрубками, і що дозволило нам створити ці новаторським вуглецевих нанотрубок транзисторів, які перевершують кремній і арсенід галію транзисторів”, – говорить Арнольд.

“Було багато галасу про вуглецеві нанотрубки, які не були реалізовані, і це свого роду зіпсувало світогляд багатьох людей. Але ми вважаємо, що галас заслужений“.

– Майкл Арнольд

Дослідники протестували їх вуглецева нанотрубка транзистор проти кремнієвого транзистора того ж розміру, геометрії і струму витоку, щоб зробити порівняння яблук із яблуками.

Вони продовжують працювати над адаптацією їх влаштування до геометрії використовуваного в кремнієвих транзисторів, які отримують менше з кожним новим поколінням. Також ведеться робота по розробці високопродуктивних радіочастотних підсилювачів, які можуть бути в змозі підвищити сигнал мобільного телефону. У той час як дослідники вже масштабується їх вирівнювання та процесу осадження до 1 дюйма на 1 дюйм пластини, вони працюють над масштабуванням процесу для промислового виробництва.

Арнольд говорить, що це цікаво, нарешті, досягти точки, де дослідники можуть використовувати нанотрубки для досягнення приросту продуктивності в реальних технологій.

“Було багато галасу про вуглецеві нанотрубки, які не були реалізовані, і це свого роду зіпсувало світогляд багатьох людей”, – говорить Арнольд. “Але ми вважаємо, що галас заслужений. Він тільки що було потрібно десятиліття роботи для науки матеріалів, щоб наздогнати і дозволяють ефективно використовувати ці матеріали”.

Дослідники запатентували свої технології через Фонд досліджень випускників Вісконсіна Wisconsin Alumni Research Foundation.

Фінансування з Національного наукового фонду, Офісу досліджень армії і ВПС підтримали цю роботу.

До додаткових авторів статті належать Гарольд Евенс, професор інженерної фізики Університету Вісконсін-Платтевілл, Джеральд Брейді, аспірант матеріалознавства і техніки Університету Вісконсин-Медісон, провідний автор дослідження й аспірант Остін Уей і постдокторський дослідник Натаніель Сафрон.