Med tanke på deras enastående mekaniska och elektriska egenskaper, kolnanorör är attraktiva byggstenar för nästa generations nanoelektromekaniska enheter, inklusive högpresterande sensorer, logiska enheter, och minneselement. Dock, tillverkningsutmaningar förknippade med att skapa välordnade arrayer av individuella kolnanorör och nanorörsenheternas vanliga fellägen har förhindrat all storskalig kommersiell användning.
Nu, forskare vid Northwestern University, Center for Integrated Nanotechnologies vid Sandia och Los Alamos National Laboratories, och Binghamton University har hittat ett sätt att dramatiskt förbättra tillförlitligheten hos kolnanorörsbaserade nanoelektromekaniska system. Deras resultat publiceras i tidskriften Små .
"Beroende på deras geometri, dessa enheter har en tendens att hålla sig stängda, brännskada eller fraktur efter bara några cykler, sa Horacio Espinosa, James N. och Nancy J. Professor vid McCormick School of Engineering vid Northwestern University. "Detta begränsar avsevärt all praktisk tillämpning av sådana nanoenheter. Vår upptäckt kan vara en nyckel till att utveckla kolnanorörsbaserade nanoelektromekaniska system från demonstrationer i laboratorieskala till livskraftiga och attraktiva alternativ till många av våra nuvarande mikroelektroniska enheter."
Hittills, kolnanorörsbaserade nanoelektromekaniska enheter har överallt använt metall, tunnfilmselektroder. Northwestern University-gruppen i samarbete med SANDIA-utredare ersatte dessa elektroder med elektroder gjorda av diamantliknande kol (ett elektriskt ledande och mekaniskt robust material), som undertryckte uppkomsten av misslyckanden. Detta gjorde det möjligt för dem att demonstrera det första exemplet på nanoelektromekaniska enheter konstruerade från individuella CNT som växlar tillförlitligt över många cykler och tillämpa denna funktionalitet på minneselement som lagrar binära tillstånd.
"Detta representerar ett viktigt steg i mognaden av kolnanorörsbaserad enhetsteknologi, sa Espinosa.
Teamet använde en kolnanorörsbaserad nanoelektromekanisk switch som en plattform för att studera fellägen och undersöka potentiella lösningar.
"Denna switch delar driftsprinciper, och därmed fellägen, med många rapporterade enheter, sade Owen Loh, en doktorand i Espinosas labb. "På det här sättet, vi hoppas att resultaten kommer att vara brett applicerbara."
Först, teamet genomförde en parametrisk studie av designutrymmet för enheter som använder konventionella metallelektroder. Detta möjliggjorde identifiering av startpunkten för de olika fellägena inom designutrymmet och framhävde det mycket begränsade området där enheterna skulle fungera tillförlitligt utan fel. De använde sedan beräkningsmodeller för att förklara de underliggande mekanismerna för de experimentellt observerade sätten att misslyckas.
"Att använda dessa modeller, vi kan replikera geometrin hos de testade enheterna och i slutändan förklara varför de misslyckas, sa Xiaoding Wei, en postdoktor i Espinosas labb.
Teamet visade sedan att användning av alternativa elektrodmaterial som diamantliknande kol avsevärt kan förbättra tillförlitligheten hos dessa enheter. De upprepade en liknande parametrisk studie med diamantliknande kolelektroder snarare än tunna metallfilmer och fann en dramatisk förbättring av enhetens robusthet. Detta möjliggjorde tillförlitlig växling av de kolnanorörsbaserade enheterna genom många cykler, samt tillämpning på den flyktiga lagringen av binära "0" och "1" tillstånd.
