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Ein Durchbruch bei Nanoröhren-Transistoren
Die Kontrolle des Wachstums von Kohlenstoffnanoröhren über große Oberflächen ist für die Herstellung von Transistoren mit ausreichender Stromabgabe und konsistenten Eigenschaften für die Verwendung in elektronischen Schaltungen unerlässlich. In einem bedeutenden Fortschritt in Richtung einer solchen auf Nanoröhren basierenden Elektronik haben Forscher der University of Illinois in Urbana Champaign (UIUC) Reihen perfekt ausgerichteter Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf Quarzkristallen gezüchtet und diese Arrays zur Herstellung von Transistoren verwendet. Die Elektroden in diesen Transistoren begrenzen die Nanoröhrenreihen, sodass Tausende von Nanoröhren die Elektroden überbrücken und den Strom erhöhen.
Röhrentransistoren: Forscher der University of Illinois in Urbana Champaign haben eine Technik entwickelt, um Tausende von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu züchten (in dieser kolorierten rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme in Blau und Weiß gezeigt). Die Forscher tragen Elektroden (in Gold dargestellt) auf zwei Seiten der Nanoröhren-Arrays auf, um Transistoren zu schaffen, die Hunderte von Nanoröhren haben, die die Elektroden überbrücken.
In einem Natur Nanotechnologie Papier, die Forscher, angeführt von John Rogers , Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UIUC, haben Transistoren aus etwa 2.000 Nanoröhren demonstriert, die Ströme von einem Ampere führen können – tausendmal mehr als der Strom, der mit einzelnen Nanoröhren möglich ist. Die Forscher haben auch eine Technik entwickelt, um die Nanoröhren-Arrays auf beliebige Substrate zu übertragen, einschließlich Silizium, Kunststoff und Glas.
Die Nanoröhren-Transistoren könnten in flexiblen Displays und elektronischem Papier verwendet werden. Da Kohlenstoff-Nanoröhrchen Strom mit viel höheren Geschwindigkeiten übertragen können als Silizium, könnten die Geräte auch in Hochgeschwindigkeits-Radiofrequenz-(RF-)Kommunikationssystemen und Identifikations-Tags verwendet werden. Tatsächlich arbeitet das Forschungsteam mit Northrop Grumman zusammen, um die Technologie in HF-Kommunikationsgeräten einzusetzen, sagt Rogers.
Bisher bedeutete die Herstellung von Transistoren mit mehreren Kohlenstoff-Nanoröhrchen das Abscheiden von Elektroden auf maschenartigen Schichten nicht ausgerichteter Kohlenstoff-Nanoröhrchen, sagt Rogers. Da sich jedoch die zufällig angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhrchen kreuzen, treffen fließende Ladungen bei jeder Kreuzung auf einen Widerstand, der den Gerätestrom reduziert. Das perfekt ausgerichtete Array löst dieses Problem, da es absolut keine Überlappungsverbindungen zwischen Rohr und Rohr gibt, sagt Rogers.
Das Forschungsteam stellt die Arrays her, indem es dünne Streifen eines Eisenkatalysators auf Quarzkristallen strukturiert und dann nanometerbreite Kohlenstoffnanoröhren entlang dieser Streifen unter Verwendung konventioneller Kohlenstoffdampfabscheidung wachsen lässt. Der Quarzkristall richtet die Nanoröhren aus. Dann können die Forscher Transistoren herstellen, indem sie Source-, Drain- und Gate-Elektroden mit konventioneller Photolithographie abscheiden.
Forscher waren bisher nicht in der Lage, gut ausgerichtete Nanoröhren-Arrays zu züchten Robert Hauge , ein Chemieprofessor, der Kohlenstoffnanoröhren an der Rice University studiert. In der Tat ist die Ausrichtung kein Showstopper mehr, sagt Ali Javey , Assistant Professor für Elektrotechnik und Informatik an der University of California, Berkeley.
Ein wohlgeordnetes Array herzustellen, bei dem parallele Nanoröhren zwischen den Source- und Drain-Elektroden geschaltet sind, ist eine große Errungenschaft, sagt Richard Martel , Chemieprofessor an der Universität Montreal. Die neue Arbeit ermöglicht einen echten Vergleich zwischen Nanoröhren-Transistoren und Silizium-Transistoren, da eine Anordnung von Nanoröhren eine planare Struktur ähnlich der von Silizium-Bauelementen ergibt, sagt er. Sie haben genau das getan, was getan werden musste, und es ist ein wichtiger Schritt.
Die Forscher stellten Hunderte von Nanoröhren-Transistoren her und testeten sie und fanden heraus, dass die Geräte konsistente elektrische Eigenschaften aufweisen, auch wenn die Eigenschaften jeder Nanoröhre in einem Gerät leicht variieren können. In jedem Gerät sind so viele Röhren in Betrieb, dass es einen statistischen Mittelungseffekt gibt, sagt Rogers.
Darüber hinaus ändern sich die Eigenschaften der Nanotubes auch dann nicht, wenn sie auf Kunststoffe oder andere Substrate übertragen werden. [Die] Röhren werden physisch vom Quarz abgehoben und dann auf das Zielsubstrat gedruckt, damit die Position und Ausrichtung der Nanoröhren nicht gestört wird, sagt Rogers. Aufgrund dieses Übertragungsprozesses könnten die Arrays in die Siliziumherstellung integriert werden, um Schaltkreise mit miteinander verbundenen Nanoröhren und Siliziumbauteilen herzustellen – die Nanoröhrenbauteile könnten die Hochgeschwindigkeitsoperationen der Schaltung bewältigen. Um einen solchen Chip herzustellen, müssten die Nanoröhren-Arrays nur zu Beginn der Herstellung auf den Siliziumwafer übertragen werden. Sobald dies erledigt ist, könnte man Siliziumvorrichtungen hinzufügen. Man denkt sie nicht einmal als Röhren, sagt Roger. Tatsächlich handelt es sich um ein dünnschichtiges, einheitliches Substrat, und Sie führen einfach Ihre Verarbeitung durch.
Vorerst werden die neuen Transistoren für größere elektronische Schaltungen wie solche in flexiblen Displays und HF-Chips nützlich sein, aber für den Einsatz in Hochleistungselektronik wie Computerchips benötigen die Geräte eine viel bessere Struktur und Geometrie, sagt Javey. Zum Beispiel müssten die Geräte viel kleiner sein als heute: Die Transistoren sind derzeit mehrere zehn Mikrometer lang und breit.
Um kleinere Geräte herzustellen, arbeitet das UIUC-Team daran, die Arrays dichter zu machen. Derzeit beträgt der Abstand zwischen benachbarten Röhren 100 Nanometer, aber theoretisch könnte dieser Abstand auf nur einen Nanometer reduziert werden, ohne die elektrischen Eigenschaften zu beeinträchtigen, sagt Martel.
Ein weiterer wichtiger Bereich, in dem noch gearbeitet werden muss, besteht darin, einen effektiven Weg zu finden, um Geräte nur mit halbleitenden Nanoröhren herzustellen, sagt Rogers. Normalerweise ist ein Drittel der Nanoröhren in jeder gewachsenen Charge metallisch, was dazu führt, dass ein kleiner Strom durch einen Transistor fließt, selbst wenn er ausgeschaltet ist. Um Metallröhren loszuwerden, wenden die Forscher einen gängigen Trick an: Schalten Sie einen Transistor aus und legen Sie eine Hochspannung an, die die Metallröhren sprengt. Aber um qualitativ hochwertige Transistoren in größerem Maßstab herzustellen, müssten sie einen besseren Weg finden, die metallischen Röhren loszuwerden oder selektiv halbleitende Röhren wachsen zu lassen. Das ist laut Javey der letzte große Schlüssel zur Herstellung von Nanoröhren-Elektronik.