(Phys.org)—Enväggiga kolnanorör kan en dag ersätta kisel i elektronik, men för att göra det, nanorören måste riktas in i täta arrayer för optimal prestanda. Än så länge, den högsta nanorörstätheten är mindre än 50 rör/μm, men i en ny studie har forskare slagit detta rekord genom att uppnå en densitet på mer än 500 rör/μm. Den högre densiteten leder till bättre prestanda, tar nanorör ett steg närmare att spela en roll i post-kiselteknologier.

Forskarna, Qing Cao vid IBM T.J. Watson Research Center i Yorktown Heights, New York, och medförfattare, har publicerat sin studie om de täta uppsättningarna av kolnanorör i ett färskt nummer av Naturens nanoteknik .

Som forskarna förklarade, kolnanorörsbaserad elektronik med de bästa elektriska egenskaperna bör ha nanorör som är rent halvledande, som är väl anpassade, och som bildar arrayer med en så hög densitet som möjligt, upp till att täcka hela underlaget.

För att uppfylla dessa krav, forskarna använde en tillverkningsteknik som kallas Langmuir-Schaefer-metoden, vilket innebär att förberikade halvledande nanorör sprids på en vattenyta. De flytande nanorören breder ut sig för att täcka hela ytan som ett resultat av ytspänningen. Genom att applicera en tryckkraft sätter man ihop nanorören till välordnade arrayer, och kompressionen stoppas när nanorörsfilmen blir inkompressibel, vilket indikerar att nanorörsmatriser har täckt hela ytan. De resulterande nanorörsmatriserna har en 99 % halvledande renhet och är inriktade inom 17° från varandra.

Som forskarna förklarar, den största förbättringen kommer från den ökade tätheten. Medan tidigare arrayer med densiteter på mindre än 50 rör/μm densitet täcker cirka 10 % av en yta, den nya arrayen med 500 rör/μm densitet kan täcka nästan 100 % av en yta. Bilder från ett tunnelelektronmikroskop avslöjar vidare att en yta med nanorör packade i ett dubbelskikt har en uppskattad rördensitet så hög som 1, 100 rör/μm.

Den ökade densiteten ger avsevärda förbättringar av egenskaperna hos elektroniska enheter byggda med nanorör. Till exempel, billig tunnfilmselektronik skulle kunna byggas på kolnanorör och förverkliga nya tillämpningar som ekonomiskt engångsmaterial, mekaniskt flexibel, och/eller optiskt transparenta elektroniska anordningar. De flesta kolnanorörs tunnfilmstransistorer som hittills rapporterats har konstruerats med array- eller nätverkstätheter på 6-10 rör/μm. Denna begränsade yttäckning resulterar i en gate-kapacitans per area som är cirka 10 gånger lägre än den för konventionella tunnfilmstransistorer byggda på material som amorft kisel eller oxidhalvledare, vilket minskar driftshastigheten och ökar utgångsmotståndet. Å andra sidan, transistorer byggda med nanorörsuppsättningar med hög densitet kan helt övervinna denna begränsning, vilket leder till en avsevärt förbättrad enhetsprestanda.

Forskare förväntar sig också att kolnanorör ersätter kisel i slutet av den nuvarande skalningsfärdplanen för att ytterligare utöka Moores lag. För sådana högpresterande applikationer, hög rördensitet krävs för att uppnå hög strömutgångsdensitet, vilket möjliggör snabbare driftshastighet och högre packningsdensitet för enheten. Jämfört med de tidigare bästa resultaten som erhållits på enheter konstruerade med en arraydensitet på 4 rör/μm, skalade nanotransistorer byggda med högdensitetsmatriser visar flera gånger bättre prestanda, med den högsta transkonduktansen och strömtätheten som hittills rapporterats för nanorörstransistorer tillsammans med ett högt på/av-förhållande på cirka 10 ³ .

Forskarna här förutspår att de elektriska egenskaperna hos nanorörsuppsättningarna med hög densitet kan förbättras ytterligare genom att göra flera modifieringar, som att förbättra den elektriska kontakten mellan nanorörsuppsättningarna och metallelektroder, använda bättre nanorörsseparationstekniker, och förbättra enhetskonsistensen. I framtiden, forskarna säger att de största utmaningarna kommer att ligga i kravet på extrem teknisk kontroll snarare än de inneboende begränsningarna hos själva nanorören.

"För högpresterande logikapplikationer. för närvarande är vårt mål att ersätta kisel med kolnanorör vid 5 nm teknologinod 2022-23, " berättade Cao Phys.org . "Betydande förbättringar har uppnåtts, särskilt i den materiella aspekten, under de senaste fem åren. Nu kan vi separera halvledande och metalliska nanorör med en renhet över 99 %, och montera nanorör med hög densitet. Ytterligare förbättringar för att uppnå 99,99 % renhet och minska defekter som finns under montering är mer eller mindre en teknisk kontrollutmaning.

"På samma gång, mer arbete måste göras för att ytterligare förbättra enheten, speciellt vid denna extremt skalade dimension. Till exempel, enhetens kontaktmotstånd måste minskas med begränsningen av begränsad kontaktlängd. En självinriktad process för att tillverka sub-10-nm nanorörstransistorer måste etableras för att minimera parasitisk kapacitans. För tunnfilmselektronik, enligt min åsikt, Kolnanorör är nästan redo att konkurrera med andra tekniker på marknaden. Några ytterligare förbättringar är fortfarande nödvändiga när det gäller enhetens tillförlitlighet och enhetlighet, men den stora utmaningen är att hitta den lämpliga nischapplikationen."

Copyright 2013 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från Phys.org.