Forskare från University of Texas i Austin och Northwestern University har visat en ny metod för att förbättra tillförlitligheten och prestandan hos transistorer och kretsar baserade på kolnanorör (CNT), ett halvledarmaterial som länge har ansetts av forskare som en av de mest lovande efterföljarna till kisel för mindre, snabbare och billigare elektroniska apparater. Resultatet visas i en ny artikel publicerad i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik , från AIP Publishing.

I tidningen, forskare undersökte effekten av en fluorpolymerbeläggning som kallas PVDF-TrFE på enkelväggiga kolnanorörstransistorer (SWCNT) och ringoscillatorkretsar, och visade att dessa beläggningar avsevärt kan förbättra prestandan hos enkelväggiga kolnanorörsenheter. PVDF-TrFE är också känt under sitt långa kemiska namn polyvinyledifluorid-tetrafluoretylen.

"Vi tillskriver förbättringarna till den polära naturen hos PVDF-TrFE som mildrar den negativa effekten av föroreningar och defekter på prestandan hos halvledarnanorör av kol med enkel vägg, " sa Ananth Dodabalapur, en professor vid Cockrell School of Engineering vid UT Austin som ledde forskningen. "Användningen av [PVDF-TrFE] täckskikt kommer att vara mycket fördelaktigt för införandet av enkelväggiga kolnanorörskretsar i tryckt elektronik och flexibla displayapplikationer."

Arbetet gjordes i samarbete mellan Dodabalapurs grupp vid UT Austin och Mark Hersams grupp vid Northwestern University som en del av ett Multi-University Research Initiative (MURI) som stöds av Office of Naval Research.

En potentiell efterföljare till kiselchips

Enkelväggiga kolnanorör (SWCNT) är nästan de tunnaste rören som kan tillverkas från naturen. De är cylindrar som bildas genom att rulla ihop ett material som kallas grafen, som är en lägenhet, enatomtjockt lager av kolgrafit. De flesta enkelväggiga kolnanorör har vanligtvis en diameter nära 1 nanometer och kan vridas, tillplattad och böjd till små cirklar eller runt skarpa kurvor utan att gå sönder. Dessa ultratunna kolfilament har hög rörlighet, hög transparens och elektrisk ledningsförmåga, vilket gör dem idealiska för att utföra elektroniska uppgifter och göra flexibla elektroniska enheter som tunnfilmstransistorer, på/av-brytarna i hjärtat av digitala elektroniska system.

"Enväggiga kolnanorörsfälteffekttransistorer (FET) har egenskaper som liknar polykristallina kisel-FET, en tunnfilms kiseltransistor som för närvarande används för att driva pixlarna i organiska ljusemitterande (OLED) skärmar, sa Mark Hersam, Dodabalapurs medarbetare och professor vid McCormick School of Engineering and Applied Science vid Northwestern University. "Men enkelväggiga kolnanorör är mer fördelaktiga än polykristallint kisel genom att de är lösningsbearbetbara eller tryckbara, vilket potentiellt skulle kunna sänka tillverkningskostnaderna."

Den mekaniska flexibiliteten hos enkelväggiga kolnanorör bör också göra det möjligt för dem att integreras i nya tillämpningar som flexibel elektronik och bärbar elektronik, han sa.

I åratal, forskare har experimenterat med nanorörsenheter i kol som en efterföljare till kiselenheter, eftersom kisel snart kan nå sin fysiska gräns genom att leverera allt mindre, snabbare och billigare elektroniska apparater. Även om kretsar gjorda med enkelväggiga kolnanorör förväntas vara mer energieffektiva än kisel i framtiden, deras nackdelar med fälteffekttransistorer, som hög effektförlust och mindre stabilitet, begränsar för närvarande sina applikationer inom tryckt elektronik, enligt Dodabalapur.

En ny teknik för att förbättra prestandan hos SWCNT-enheter

För att övervinna nackdelarna med enkelväggiga kolnanorörsfälteffekttransistorer och förbättra deras prestanda, forskarna deponerade PVDF-TrFE på toppen av egentillverkade enkelväggiga kolnanorörstransistorer genom bläckstråleutskrift, en låg kostnad, lösningsbaserad deponeringsprocess med god rumslig upplösning. Den fluorpolymerbelagda filmen glödgades sedan eller värmdes i luft vid 140 grader Celsius under tre minuter. Senare, forskare observerade skillnaderna i enhetens egenskaper.

"Vi hittade avsevärda prestandaförbättringar med det fluorpolymerbelagda enkelväggiga kolnanoröret både i enhetsnivå och kretsnivå, " noterade Dodabalapur.

På enhetsnivå, betydande minskningar förekommer i nyckelparametrar som strömstyrka, grad av hysteres, variation i tröskelspänning och förspänningsförsämring, som, Dodabalapur sa, betyder en typ av mer energieffektiv, stabila och enhetliga transistorer med längre livslängd.

På kretsnivå, eftersom en transistor är den mest grundläggande komponenten i digitala kretsar, den förbättrade enhetligheten i enhetens egenskaper, plus de fördelaktiga effekterna från individuella transistorer resulterar så småningom i förbättrad prestanda hos en femstegs komplementär ringoscillatorkrets, en av de enklaste digitala kretsarna.

"Oscillationsfrekvensen och amplituden [för den enkelväggiga kolnanorörsringoscillatorkretsen] har ökat med 42 procent respektive 250 procent, " sa Dodabalapur. Parametrarna indikerar en snabbare och bättre presterande krets med möjligen minskad strömförbrukning.

Dodabalapur och hans medarbetare tillskrev förbättringarna till den polära naturen hos PVDF-TrFE.

"Innan enkelväggiga kolnanorörsfälteffekttransistorer tillverkades genom bläckstråleutskrift, de dispergerades i ett organiskt lösningsmedel för att göra ett tryckbart bläck. Efter tillverkningsprocessen, det kan finnas kvarvarande kemikalier [på enheten], orsakar bakgrundskoncentration av orenheter, " Dodabalapur förklarade. "Dessa föroreningar kan fungera som laddade defekter som fångar laddningsbärare i halvledare och minskar bärarnas rörlighet, vilket så småningom kan försämra transistorernas prestanda."

PVDF-TrFE är en polär molekyl vars negativa och positiva laddningar är separerade på olika ändar av molekylen, sa Dodabalapur. De två laddade ändarna bildar en elektrisk bindning, eller dipol, mellan. Efter glödgningsprocessen, dipolerna i PVDF-TrFE-molekyler antar enhetligt en stabil orientering som tenderar att upphäva effekterna av de laddade föroreningarna i enkelväggiga kolnanorörsfälteffekttransistorer, vilket underlättade bärarflödet i halvledaren och förbättrade enhetens prestanda.

För att bekräfta deras hypotes, Dodabalapur och hans medarbetare utförde experiment som jämförde effekterna av polära och opolära ångor på enkelväggiga kolnanorörsfälteffekttransistorer. Resultaten stödjer deras antagande.

Nästa steg, Dodabalapur sa, är att implementera mer komplexa kretsar med enkelväggiga kolnanorörsfälteffekttransistorer.