Materialingenjörer från University of Wisconsin-Madison har tagit ett betydande steg mot att skapa elektronik med högre prestanda med förbättrad batteritid – och förmågan att flexa och sträcka sig.
Leds av materialvetenskap docent Michael Arnold och professor Padma Gopalan, teamet har rapporterat de högst presterande kolnanorörstransistorerna som någonsin demonstrerats. Förutom att bana väg för förbättrad hemelektronik, denna teknik kan också ha specifika användningsområden i industriella och militära tillämpningar.
I en artikel som nyligen publicerades i tidskriften ACS Nano , Arnold, Gopalan och deras elever rapporterade transistorer med ett på/av-förhållande som är 1, 000 gånger bättre och en konduktans som är 100 gånger bättre än tidigare toppmoderna kolnanorörstransistorer.
"Kolnanorör är mycket starka och mycket flexibla, så de kan också användas för att göra flexibla displayer och elektronik som kan sträcka sig och böjas, så att du kan integrera elektronik på nya platser som kläder, ", säger Arnold. "Framstegen möjliggör nya typer av elektronik som inte är möjliga med de mer spröda material tillverkarna använder för närvarande."
Kolnanorör är enstaka atomära ark av kol som rullas ihop till ett rör. Som några av de bästa elektriska ledarna någonsin upptäckt, kolnanorör har länge erkänts som ett lovande material för nästa generations transistorer, som är halvledarenheter som kan fungera som en på/av-brytare för ström eller förstärka ström. Detta utgör grunden för en elektronisk enhet.
Dock, forskare har kämpat för att isolera rent halvledande kolnanorör, som är avgörande, eftersom metalliska nanorörsföroreningar fungerar som koppartrådar och "kortar" enheten. Forskare har också kämpat för att kontrollera placeringen och inriktningen av nanorör. Tills nu, dessa två utmaningar har begränsat utvecklingen av högpresterande kolnanorörstransistorer.
Bygger på mer än två decennier av kolnanorörsforskning inom området, UW-Madison-teamet utnyttjade banbrytande teknologier som använder polymerer för att selektivt sortera ut de halvledande nanorören, uppnå en lösning av halvledande kolnanorör med ultrahög renhet.
Tidigare tekniker för att rikta in nanorören resulterade i mindre än önskvärd packningsdensitet, eller hur nära nanorören är varandra när de sätts ihop i en film. Dock, UW-Madison-forskarna banade väg för en ny teknik, kallas flytande avdunstande självmontering, eller FESA, som de beskrev tidigare under 2014 i ACS-journalen Langmuir . I den tekniken, forskare utnyttjade ett självmonteringsfenomen som utlöstes av att en kolnanorörslösning snabbt förångades.
Teamets senaste framsteg för också fältet närmare realisering av kolnanorörstransistorer som en möjlig ersättning för kiseltransistorer i datorchips och i högfrekventa kommunikationsenheter, som snabbt närmar sig sina fysiska skalnings- och prestationsgränser.
"Detta är inte en stegvis förbättring av prestanda, " säger Arnold. "Med dessa resultat, vi har verkligen tagit ett steg i kolnanorörstransistorer. Våra kolnanorörstransistorer har en storleksordning bättre konduktans än de bästa tunnfilmstransistorteknologierna som för närvarande används kommersiellt medan de fortfarande slås på och av som en transistor ska fungera."
Forskarna har patenterat sin teknologi genom Wisconsin Alumni Research Foundation och har börjat arbeta med företag för att påskynda tekniköverföringen till industrin.
