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Nanoröhren-Schaltungen
Neue Forschungen legen nahe, dass Netzwerke aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die auf biegsamen Kunststoff gedruckt sind, als Halbleiter in integrierten Schaltkreisen gut funktionieren. Forscher aus der Universität von Illinois in Urbana-Champaign (UIUC) und Purdue Universität , dessen Werk diese Woche in . erscheint Natur , sagen, dass diese Nanoröhren-Netzwerke organische Halbleiter in Anwendungen wie flexiblen Displays ersetzen könnten.
Schnell und flexibel: Ein integrierter Schaltkreis auf einer dünnen Plastikfolie enthält Transistoren aus einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren-Netzwerken. Die kohlenstoffbasierten Netzwerke können mit der Leistung von einkristallinem Silizium konkurrieren, können jedoch leicht aus Lösung auf den Kunststoff gedruckt werden und haben gute mechanische Eigenschaften, die für flexible Elektronik nützlich sind.
Die Entwicklung flexibler Elektronik hat sich in letzter Zeit auf organische Moleküle konzentriert, da sie im Gegensatz zu Silizium mit biegsamen Kunststoffsubstraten kompatibel sind. Flexible Elektronik hat Potenzial in Anwendungen wie elektronischen Zeitungen mit geringem Stromverbrauch oder PDAs, die sich in die Größe und Form eines Stifts zusammenrollen. Das Problem bei bestehenden organisch-elektronischen Geräten besteht jedoch darin, dass sie nicht gut für langfristige Zuverlässigkeit entwickelt sind und weitaus schlechter abschneiden als Silizium, sagt John A. Rogers, Professor für Ingenieurwissenschaften an der UIUC und Co-Autor der Natur Papier.
Kohlenstoff-Nanoröhren-Netzwerke hingegen vereinen die Leistungsfähigkeit von Silizium mit der Flexibilität organischer Folien auf Kunststoff. Rogers sagt, dass die Geschwindigkeit des Nanoröhren-Geräts im Vergleich zu der Geschwindigkeit kommerziell verwendeter einkristalliner Siliziumschaltungen günstig ist. Die Transistoren können auch im Bereich von mehreren Kilohertz zwischen Ein- und Aus-Zuständen umschalten, ähnlich dem Bereich, der für Flüssigkristallanzeigen und Radiofrequenz-Identifikationssensoren (RFID) verwendet wird. Allerdings ist das Ein-Aus-Stromverhältnis für Kohlenstoff-Nanoröhrchen immer noch um einige Größenordnungen niedriger als das für Silizium-Transistoren.
Die Forscher stellten die Netzwerke her, indem sie Nanoröhren mit Standarddruckverfahren auf Kunststoff abschieden, was zu einer kostengünstigen Massenfertigung führen könnte. Und die gedruckten Schaltungen können sich bis zu einem Radius von etwa fünf Millimetern biegen, ohne die elektrische Leistung des Geräts zu beeinträchtigen. Diese Methode eignet sich gut für flexible Elektronik, die großflächig gedruckt werden muss, sagt Ali Javey , Assistant Professor für Elektrotechnik an der University of California, Berkeley.
Mit einer Technik namens Transferdruck schieden die Forscher zufällig ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf eine 50 Mikrometer dicke Plastikfolie ab und strukturierten dann Goldelektroden und andere Schaltungskomponenten auf dem Substrat. Da etwa ein Drittel der Nanoröhren in jedem Netzwerk metallisch sind, was die Transistoren kurzschließen kann, ätzten die Forscher dann mit weicher Lithographie schmale parallele Leitungen durch das Netzwerk. Durch das Schneiden der Nanoröhren können sie die Möglichkeit einer rein metallischen Verbindung zwischen zwei Elektroden effektiv eliminieren, während die Leistung des Geräts erhalten bleibt.
Es bleiben noch einige Herausforderungen, bevor die Nanoröhren-Netzwerke für tatsächliche Produkte bereit sind. Es müssen Geräte hergestellt werden, bei denen die Leistung von Gerät zu Gerät nicht variiert; Milliarden einzelner Nanoröhren müssen mit hoher Reinheit und den richtigen Abmessungen für eine optimale Leistung hergestellt werden. Auch der Druckprozess muss weiterentwickelt werden, sagt George Gruner , Professor für Physik an der University of California, Los Angeles. Gruner schlägt vor, Nanotubes in Tinte aufzulösen und dann auf Kunststoff zu drucken. Diese Geräte müssen billig und wegwerfbar sein, insbesondere für Geräte wie RFID-Tags in Lebensmittelverpackungen, fügt er hinzu.
Die unmittelbaren Ziele der Gruppe von Rogers bestehen darin, auf eine geringere Leistung und eine höhere Geschwindigkeit der Geräte hinzuarbeiten. Wir wollen die Grenzen überschreiten, um zu sehen, wie weit wir gehen können, sagt er.