(PhysOrg.com) -- Forskare har övervunnit ett stort hinder i ansträngningarna att använda små strukturer som kallas kolnanorör för att skapa en ny klass av elektronik som skulle vara snabbare och mindre än konventionella kiselbaserade transistorer.

Kolnanorör, som upptäcktes i början av 1990-talet, kan göra det möjligt mer kraftfullt, kompakta och energieffektiva datorer, samt ultratunna "nanotrådar" för elektroniska kretsar. Nanorören kan vara idealiska för framtida elektronik eftersom de leder elektricitet mer effektivt än någon annan metall, men deras praktiska tillämpning kräver att de tillverkas enligt specifika standarder.

Nu forskare inom materialvetenskapsavdelningen vid Honda Research Institute USA Inc., Purdue University och University of Louisville har lärt sig hur man kontrollerar bildandet av kolnanorör så att de har antingen metalliska eller halvledande egenskaper.

"Det här problemet med hur man kontrollerar om du har en metall eller en halvledare är den viktigaste stötestenen för att göra transistorer av kolnanorör, sa Eric Stach, en docent i materialteknik vid Purdue. "Solid state-elektronik är uppbyggd kring det faktum att man kan styra kiselets halvledande egenskaper."

Resultaten kommer att beskrivas i en forskningsartikel som visas fredag ​​(2 oktober) i tidskriften Vetenskap . Forskningen leds av Avetik Harutyunyan, huvudforskare vid Honda Research Institute USA Inc. i Columbus, Ohio.

"Detta är den första rapporten som visar att vi ganska systematiskt kan kontrollera om kolnanorör är metalliska eller halvledande, "Sade Harutyunyan. "Vi har en framgångsgrad på 91 procent när det gäller att producera metalliska nanorör."

Kiselbaserade transistorer styr flödet av elektroner genom att använda specifika kombinationer av metaller och halvledare. Forskare arbetar med att lära sig hur man exakt kontrollerar egenskaperna hos kolnanorör så att de kan användas som både halvledar- och metallkomponenter i transistorer.

"Rent generellt, kol är inte en metall, men kolnanorör med en viss konfiguration är, sa Stach.

Halvledare, som kisel, ibland beter sig som ledare och ibland som isolatorer, medan metaller alltid beter sig som ledare. Forskare har i flera år vetat att kolnanorör slumpmässigt bildas så att de ibland är metalliska och ibland halvledare, men hittills har de inte känt till de exakta orsakerna.

Kolnanorör kan visualiseras som ark av kolatomer ett lager tjockt och rullas ihop till rör. Ungefär som stigningen på en skruv, de kan ha en annan konfiguration beroende på hur de rullar upp, och denna konfiguration avgör om de leder som en metall eller en halvledare.

Nanorören "odlas" i en vakuumkammare genom att järnpartiklar utsätts för metangas. Gasen innehåller kol och väte, och järnpartiklarna fungerar som en katalysator för att frigöra kol från gasen. Partiklarna värms upp till cirka 800 grader Celsius, eller fler än 1, 400 grader Fahrenheit. Med ökande exponering, järnet innehåller så småningom för mycket kol och blir "övermättat". Som ett resultat, kolet faller ut som ett fast ämne, vilket gör att nanoröret börjar bildas.

Honda-forskare lärde sig nyligen att de kunde kontrollera om kolnanorören blir metall eller halvledare genom att använda antingen argon eller helium som "bärargaser" för att hjälpa till att strömma metanet in i kammaren i närvaro av vatten.

Forskare vid Louisville använde tekniken för att producera stora mängder nanorör och gjorde noggranna elektriska mätningar för att bekräfta om nanorören var metalliska eller halvledare.

Purdue-forskare tog högupplösta bilder med hjälp av ett instrument som kallas transmissionselektronmikroskop för att avgöra varför processen fungerar.

"Instrumentet gör att du kan ta bilder medan nanorören bildas, " Sa Stach. "Vi kan se materialens atomära struktur samtidigt som vi tittar på hur miljön påverkar dem."

Purdue-delen av forskningen är baserad på Birck Nanotechnology Center i universitetets Discovery Park.

"Dessa fynd ger ett fönster in i det intima förhållandet mellan atomstrukturen hos katalysatornanopartikeln och kolnanoröret som växer från den katalysatornanopartikeln, sade Timothy D. Sands, Mary Jo och Robert L. Kirk Direktör för Birck Nanotechnology Center. "Resultaten visar också att den atomära strukturen av katalysatornanopartikeln kan kontrolleras av den omgivande bärargasen, en koppling som kan representera det första steget mot en lösning på en av de mest irriterande utmaningarna inom nanoteknik."

Purdue-forskarna lärde sig att om helium används istället för argon, järnpartiklarna har en specifik storlek och form och har även uttalade fasetter, men fasetterna minskar och partikelstorleken varierar när argon används.

"Fasetterna bildas nästan i räta vinklar, men när du byter från helium till argon blir dessa aspekter avrundade, " Sa Stach. "Heliumet och närvaron av dessa starka aspekter, tillsammans med storleken på järnpartiklarna, verkar vara det som tillåter skapandet av metalliska nanorör.

"Våra resultat tyder på att du kanske kan kontrollera storleken och formen på katalysatorn tillräckligt för att kontrollera strukturen och därmed nanorörens ledningsförmåga. Det är den första demonstrationen av ett deterministiskt förhållande mellan katalysatortillståndet och den resulterande nanorörsstrukturen. "

Forskare är inte säkra på vilken roll vattnet spelar i processen.

"Vattnet kan främja bildandet av fasetterna, och argon kan på något sätt hindra vattnet från att göra det, men mer forskning behövs för att fastställa detta, sa Stach.

Arbetet pågår och finansieras av Honda.

Källa:Purdue University (nyheter:webb)