Uhlíkové nanotrubové tranzistory prekonávajú prvýkrát svoje kremíkové bratranky

Anonim

Uhlíkové nanotrubové tranzistory prekonávajú prvýkrát svoje kremíkové bratranky

elektronika

Colin Jeffrey

7. septembra 2016

2 obrázky

Výskumníci na univerzite vo Wisconsin-Madison tvrdí, že vytvorili prvý tranzistor na báze grafénu, ktorý prekračuje možnosti najlepších dostupných zariadení na báze kremíka (Credit: Stephanie Precourt / UW-Madison College of Engineering)

Nie sú to prvé tranzistory vytvorené pomocou uhlíkových nanotrubičiek (CNT), ale vedci z University of Wisconsin-Madison (UW-Madison) tvrdia, že ich nové tranzistory s uhlíkovými nanotrubami sú prvé, ktoré prekonajú najlepšie dostupné kremíkové tranzistory. Vďaka vyšším súčasným funkciám a vyššej rýchlosti spínania tieto polovodiče s uhlíkovými nanotrubkami sľubujú, že budú poskytovať elektroniku ďalšej generácie s vyšším výkonom, pričom spotrebúvajú oveľa menej energie.

Podľa vedcov UW-Madison by ich prielom mohol viesť k tranzistorom s uhlíkovými nanotrubkami, ktoré nakoniec nahradia kremíkové tranzistory a zabezpečia prebiehajúce zisky v oblasti výkonu, ktoré počítačový priemysel potrebuje na uspokojenie dopytu spotrebiteľov. Na základe meraní vykonaných výskumníkmi na jednotlivých nanotrubných tranzistoroch by tieto zariadenia mali byť schopné pracovať rýchlosťou päťkrát vyššou alebo využívať päťkrát menej energie ako kremíkové tranzistory v rovnakých aplikáciách.

"Tento úspech je snom o nanotechnológii za posledných 20 rokov, " hovorí profesor Michael Arnold, spoluzakladateľ výskumného tímu UW-Madison. "Prevzatie tranzistorov uhlíkových nanotrubičiek, ktoré sú lepšie ako tranzistory kremíka, je veľkým míľnikom." Tento prelom v tranzistore uhlíkových nanotrubičiek je kritickým krokom k využívaniu uhlíkových nanotrubičiek v logike, vysokorýchlostnej komunikácii a iných polovodičových elektronických technológiách.

Vytvorené z jedno-atómových vrstiev grafénu valcovaných do rúr, CNT umožňujú vytvorenie trojrozmernej štruktúry z jednorozmernej vrstvy uhlíka. Konkrétne otáčanie týchto CNT do tranzistorov s efektom poľa (FET) umožňujú mikroskopické rozmery nových tranzistorov rýchle zmeny prúdového prúdu pohybujúceho sa cez tieto tranzistory.

Pretože FET pracujú moduláciou toho, čo je známe ako koncentrácia náboja pozdĺž kanálov medzi elektródami, aby sa vytvoril tok prúdu, takže zvýšenie napätia aplikovaného na konkrétnu elektródu zvyšuje zosilnenie v obvode, takže nové UW-Madison polovodiče produkujú veľa toku prúdu okolo 1, 9 krát vyššia ako kremíkové tranzistory na relatívne malej ploche. Toto správanie by mohlo priniesť významné zisky v bezdrôtových komunikačných zariadeniach založených na FET CNT.

Predtým, než sa výskumníci mohli podariť dosiahnuť vysoké zisky, ktoré si hľadali, museli najskôr prekonať prekážky, ktorým čelia ostatní výskumníci pri výrobe čistých uhlíkových nanotrubiek a vyhnúť sa kovovým nečistotám, ktoré narúšajú polovodičové schopnosti CNT. Na tento účel používal tím UW-Madison techniku ​​známu ako plávajúce samovražedné odparovanie, v ktorej sa polyméry používajú na zapuzdrenie a izoláciu CNT a potom ich vyrovnajú a uložia na substrát s presnými odstupmi.

"Boli sme identifikovaní špecifické podmienky, v ktorých sa môžete zbaviť takmer všetkých kovových nanotrubičiek, kde máme menej ako 0, 01 percenta kovových nanotrubičiek, " povedal profesor Arnold.

Po selektívnom vyrovnaní a ukladaní CNT výskumníci potom pečili nanorúrky vo vákuovej sušiarni, aby odstránili izolačný polymér a umožnili CNT. Akékoľvek zostávajúce rezíduá boli odstránené z nanotrubíc rozpúšťadlom pred ich spracovaním v peci.

"V našom výskume sme ukázali, že môžeme súčasne prekonať všetky tieto výzvy spojené s prácou s nanotrubkami a umožnili sme vytvoriť tieto prelomové tranzistory uhlíkových nanotrubičiek, ktoré prekonajú tranzistory kremíka a arzeniového gália, " povedal profesor Arnold, "Existuje veľa humbuk o uhlíkových nanotrubkách, ktoré neboli realizované, a to spôsobilo, že mnohí ľudia" vyzerajú ", ale myslíme si, že humbuk si zaslúži.

Selektívne zladenie CNT je rozhodujúcim krokom pri poskytovaní schopnosti vyrábať FET v komerčných množstvách rýchlo a ľahko. A aj keď boli použité iné unikátne metódy na výrobu presne zarovnaných grafénových polovodičových materiálov (dokonca aj pomocou prameňov DNA, v jednom prípade), metóda použitá vedcami UW-Madison je, podľa ich názoru, škálovateľná na úrovne vysokej produkcie.

Zatiaľ čo výskum iných inštitúcií sa sústredil na zvýšenie rýchlosti, s ktorou pracujú tranzistory na báze grafénu, súčasný výskum tímu UW-Madison bude skúmať spôsoby, ako vytvoriť efektívnejšie vysokovýkonné rádiofrekvenčné zosilňovače, ktoré by sa mohli použiť, napríklad na lepšie zvýšenie signálov mobilných telefónov.

Výsledky tohto výskumu boli publikované v časopise Science Advances .

Tím vysvetľuje ich výskum vo videu nižšie.

Zdroj: Univerzita Wisconsin-Madison

Výskumníci na univerzite vo Wisconsin-Madison tvrdí, že vytvorili prvý tranzistor na báze grafénu, ktorý prekračuje možnosti najlepších dostupných zariadení na báze kremíka (Credit: Stephanie Precourt / UW-Madison College of Engineering)

Docent Michael Arnold a postgraduálny študent Gerald Brady z University of Wisconsin-Madison (Kredit: Stephanie Precourt / UW-Madison College of Engineering)