Ett genombrott inom nanorörtransistorer

Att kontrollera tillväxten av kolnanorör över stora ytareor är avgörande för att göra transistorer med tillräckliga strömutgångar och konsekventa egenskaper för användning i elektroniska kretsar. I ett betydande framsteg mot sådan nanorörsbaserad elektronik har forskare vid University of Illinois i Urbana Champaign (UIUC) odlat rader av perfekt inriktade kolnanorör på kvartskristall och använt dessa arrayer för att göra transistorer. Elektroderna i dessa transistorer kantar nanorörsraderna så att tusentals nanorör överbryggar elektroderna och ökar strömmen.

Rörtransistorer: Forskare vid University of Illinois i Urbana Champaign har utvecklat en teknik för att odla tusentals kolnanorör (visas i blått och vitt i denna färgade svepelektronmikrograf). Forskarna placerar elektroder (visade i guld) på två sidor av nanorörsarrayerna för att skapa transistorer som har hundratals nanorör som överbryggar elektroderna.

I en Naturens nanoteknik papper, forskarna, ledda av John Rogers , en professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid UIUC, har visat transistorer gjorda med cirka 2 000 nanorör, som kan bära strömmar på en ampere–tusentals gånger mer än vad som är möjligt med enstaka nanorör. Forskarna har också utvecklat en teknik för att överföra nanorörsarrayerna till vilket substrat som helst, inklusive kisel, plast och glas.

Nanorörstransistorerna skulle kunna användas i flexibla displayer och elektroniskt papper. Eftersom kolnanorör kan bära ström med mycket högre hastigheter än kisel, kan enheterna också användas i höghastighetsradiofrekvenskommunikation (RF) och identifieringsetiketter. Faktum är att forskargruppen arbetar med Northrop Grumman för att använda tekniken i RF-kommunikationsenheter, säger Rogers.

Fram till nu innebar att göra transistorer med flera kolnanorör att deponera elektroder på nätliknande lager av ojusterade kolnanorör, säger Rogers. Men eftersom de slumpmässigt arrangerade kolnanorören korsar varandra, vid varje korsning möter strömmande laddningar ett motstånd, vilket minskar enhetens ström. Den perfekt justerade arrayen löser detta problem eftersom det absolut inte finns några rör-röröverlappningar, säger Rogers.

Forskargruppen gör arrayerna genom att mönstra tunna remsor av en järnkatalysator på kvartskristaller och sedan odla nanometer breda kolnanorör längs dessa remsor med hjälp av konventionell kolångavsättning. Kvartskristallen riktar in nanorören. Sedan kan forskarna tillverka transistorer genom att deponera käll-, dränerings- och grindelektroder med hjälp av konventionell fotolitografi.

Forskare har inte kunnat odla väljusterade nanorörsmatriser förrän nu, enligt Robert Hauge , en kemiprofessor som studerar kolnanorör vid Rice University. I själva verket är anpassning inte längre en showstopper, säger Ali Javey , en biträdande professor i elektroteknik och datavetenskap vid University of California, Berkeley.

Att göra en välordnad array där parallella nanorör är anslutna mellan käll- och dräneringselektroderna är en stor bedrift, säger Richard Martel , en kemiprofessor vid University of Montreal. Det nya arbetet möjliggör en sann jämförelse mellan nanorörstransistorer och kiseltransistorer eftersom en rad nanorör ger en plan struktur som liknar kiselenheter, säger han. De gjorde precis vad som behövde göras, och det är ett viktigt steg.

Forskarna tillverkade och testade hundratals nanorörstransistorer, och de fann att enheterna har konsekventa elektriska egenskaper, även om egenskaperna hos varje nanorör i en enhet kan variera något. Det finns ett så stort antal rör i drift i varje enhet att det finns en statistisk medelvärdeseffekt, säger Rogers.

Dessutom förändras inte nanorörens egenskaper även om de överförs till plast eller andra substrat. [Rören] lyfts fysiskt av kvarts och skrivs sedan ner på målsubstratet så att det inte stör positionen och orienteringen av nanorören, säger Rogers. På grund av denna överföringsprocess säger han att arrayerna kan integreras med kiseltillverkning för att göra kretsar med sammankopplade nanorör- och kiselenheter – nanorörsenheterna kan hantera kretsens höghastighetsoperationer. För att göra ett sådant chip skulle man bara behöva överföra nanorörsarrayerna till kiselskivan i början av tillverkningen. När det är gjort kan man lägga till silikonenheter. Man tänker inte ens på dem som rör, säger Roger. I själva verket är det ett enhetligt tunnfilmssubstrat, och du gör bara din bearbetning.

För nu kommer de nya transistorerna att vara användbara för större elektronikkretsar som de i flexibla displayer och RF-chips, men för att användas i högpresterande elektronik som datorchips behöver enheterna en mycket bättre struktur och geometri, säger Javey. Till exempel skulle enheterna behöva vara mycket mindre än de är nu: transistorerna är för närvarande tiotals mikrometer långa och breda.

För att göra mindre enheter arbetar UIUC-teamet på att göra arrayerna tätare. Just nu är avståndet mellan intilliggande rör 100 nanometer, men teoretiskt kan denna separation gå ner till endast en nanometer utan att påverka elektriska egenskaper, säger Martel.

Ett annat nyckelområde som kräver arbete är att hitta ett effektivt sätt att tillverka enheter med endast halvledande nanorör, säger Rogers. Vanligtvis är en tredjedel av nanorören i en odlad batch metalliska, vilket gör att en liten ström flyter genom en transistor även när den är avstängd. Forskarna använder ett vanligt knep för att bli av med metallrör: stäng av en transistor och applicera en högspänning som blåser ut metallrören. Men för att göra transistorer av god kvalitet i större skala, skulle de behöva hitta ett bättre sätt att bli av med metallrören eller selektivt odla halvledande rör. Det är, enligt Javey, den sista stora nyckeln för att tillverka nanorörselektronik.

Dölj