När kopparnanopartiklar deponeras på SWNT-nätverk (vänster:justerat nätverk; höger:tvärstrecksnätverk), nanopartiklarna skapar bandluckor i metalliska SWNT, vilket minskar läckströmmen och förbättrar en transistors på/av-förhållande. Kredit:D. Asheghali, et al.
(Phys.org) —Framtida transistorer gjorda av halvledande enkelväggiga kolnanorör (s-SWNT) har potential att prestera mycket bättre än dagens transistorer. Dock, när SWNTs odlas i bulk, endast cirka två tredjedelar av dem är halvledande, medan den andra tredjedelen är metalliska (m-SWNTs). Eftersom m-SWNTs har en högre konduktivitet än s-SWNTs, deras närvaro tillåter strömläckage i en transistors avstängda tillstånd, vilket kraftigt minskar transistorns på/av-strömförhållande och totala prestanda. I en ny studie, forskare har visat att att bara dekorera m-SWNTs med kopparoxidnanopartiklar kan omvandla dem till s-SWNTs, vilket resulterar i en 205-faldig ökning av en transistors på/av-strömförhållande.
Forskarna, Darya Asheghali, Pornnipa Vichchulada, och docent Marcus D. Lay vid University of Georgia i Aten, har publicerat sin artikel om att konvertera m-SWNTs till s-SWNTs i ett färskt nummer av Journal of the American Chemical Society .
Tidigare studier har försökt övervinna problemet med m-SWNTs genom att använda metoder som ofta är komplexa och dyra. Vissa tillvägagångssätt innebär att man använder specialiserade SWNT-tillväxtmetoder som väljer s-SWNTs, medan andra tillvägagångssätt involverar behandling efter tillväxt för att ta bort m-SWNT.
Tillvägagångssättet som föreslås i den nya studien skulle kunna ge en enklare lösning för att erhålla stora mängder s-SWNT. Efter att ha odlat SWNTs med en konventionell bulktillväxtmetod, forskarna deponerade nanopartiklar av kopparoxid under 10 nm på alla nanorör, både metalliska och halvledande. Detta enda steg omvandlar m-SWNTs till s-SWNTs och förbättrar även de elektriska egenskaperna hos de ursprungliga s-SWNTs.
När forskarna införlivade dessa dekorerade s-SWNTs i transistorer, de fann att transistorernas på/av-strömförhållanden ökade från cirka 21 till 4300, representerar en 205-faldig förbättring.
Anledningen till att nanopartiklarna har denna effekt är på grund av hur de ändrar SWNTs bandgap. Eftersom ett bandgap är energiområdet i ett material där elektroner inte kan existera, i allmänhet motsvarar ett stort bandgap låg elektrisk ledningsförmåga, och vice versa. Vanligtvis, isolatorer har stora bandgap, halvledare har mindre bandgap, och ledare har mycket små eller inga bandgap.
I den aktuella studien, m-SWNTs har ursprungligen inget bandgap, gör dem till bra dirigenter. Även om hög konduktivitet är bra när transistorer är i tillståndet (när elektroner flödar), det är en skuld i avstängt tillstånd (där elektroner inte flödar). Att vara mycket ledande, m-SWNTs läcker mycket ström i avstängt tillstånd.
Som forskarna visar här, kopparoxidnanopartiklarna kan öppna upp ett bandgap i m-SWNTs, vilket begränsar strömflödet och kraftigt minskar läckströmmen när transistorn är i avstängt läge. Nu när m-SWNTs har ett bandgap, de är per definition s-SWNTs. Nanopartiklarna ökar också bandgaperna för s-SWNTs, vilket förbättrar både deras enhetlighet och strömeffektivitet.
Forskarna förklarar att nanopartiklarna av kopparoxid skapar/ökar dessa bandgap genom att dra tillbaka elektrontätheten från SWNTs vid kontaktpunkten. På sätt och vis, nanopartiklarna fungerar som små ventiler längs en tråd som ökar SWNTs känslighet för grindspänningar vid vissa punkter, ändra konduktiviteten hos SWNTs totalt.
Även om forskarna beskriver effekten som en omvandling av metalliska SWNT till halvledande SWNT, de klargör också att, när det kommer till kritan, m-SWNT är inte riktiga metaller. Istället, de bör betraktas som halvmetaller eller halvledare med nollbandsgap eftersom äkta metaller inte kunde göras känsliga för gate-spänningen.
Grafen faller också i denna kategori av halvmetaller. Dock, det är mer komplicerat att öppna ett bandgap i grafen eftersom grafen är ett 2D-material. Forskarna förklarar att SWNTs 1D-karaktär förenklar processen med bandgapjustering genom att låta nanopartiklarna agera som ventiler på en tråd och lokalt stoppa elektrontransport. Detta tillvägagångssätt kan inte överföras till plan grafen på grund av dess olika geometri.
Denna relativt enkla metod att använda nanopartiklar för att omvandla m-SWNTs till s-SWNTs, och den betydande prestationsförbättring som resulterar, har stor potential att främja utvecklingen av SWNT-baserade transistorer i framtiden, samt föra över till andra områden.
"Förmågan att öppna ett bandgap i grafitbaserade halvledare som SWNTs och grafen kommer att ha tillämpningar inom sensorer och energiomvandling, "Låg berättade Phys.org .
När det gäller SWNT-fälteffekttransistorer (FET), Lay förklarade att andra utmaningar kvarstår innan de kan bli kommersiellt utbredda.
"Det största problemet som SWNT FET står inför är bristen på renings- och suspensionsbildningsmetoder som separerar SWNT med högt bildförhållande som behövs för strukturella och elektroniska applikationer från sot och katalysatorpartiklar som utgör cirka 50 % av SWNT-proverna med vanliga bulktillväxtmetoder, ", sade han. "En annan stor vägspärr är bristen på deponeringsmetoder som tillåter kontroll över densiteten och inriktningen av SWNTs."
Lay och hans grupp har bidragit avsevärt till dessa två områden i en annan nyligen genomförd studie 1 .
© 2013 Phys.org. Alla rättigheter förbehållna.
