Enskilda transistorer gjorda av kolnanorör är snabbare och mer energieffektiva än de som är gjorda av andra material. Att gå från en enda transistor till en integrerad krets full av transistorer, dock, är ett stort steg.

"En enda mikroprocessor har en miljard transistorer i sig, " sa Northwestern Engineerings Mark Hersam. "Alla miljarder av dem arbetar. Och inte bara fungerar de, men de fungerar tillförlitligt i år eller till och med årtionden."

När man försöker ta språnget från en individ, nanorörsbaserade transistor-till-wafer-skala integrerade kretsar, många forskarlag, inklusive Hersams, har mött utmaningar. För en, processen är otroligt dyr, kräver ofta renrum för miljarder dollar för att hålla de känsliga komponenterna i nanostorlek säkra från de potentiellt skadliga effekterna av luft, vatten, och damm. Forskare har också kämpat för att skapa en kolnanorörsbaserad integrerad krets där transistorerna är spatialt enhetliga över materialet, som behövs för att det övergripande systemet ska fungera.

Nu har Hersam och hans team vid Northwestern University hittat en nyckel för att lösa alla dessa problem. Hemligheten ligger i nyutvecklade inkapslingsskikt som skyddar kolnanorör från miljöförstöring.

Stöds av Office of Naval Research och National Science Foundation, forskningen visas online i Naturens nanoteknologi den 7 september. Tobin J. Marks, Vladimir N. Ipatieff forskningsprofessor i kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences och professor i materialvetenskap och teknik vid McCormick School of Engineering, var medförfattare till tidningen. Michael Geier, en doktorand i Hersams labb, var första författare.

"En av verkligheterna i ett nanomaterial, som ett kolnanorör, är att i stort sett alla dess atomer på ytan, sa Hersam, Walter P. Murphy professor i materialvetenskap och teknik. "Så allt som rör ytan på dessa material kan påverka deras egenskaper. Om vi ​​gjorde en serie transistorer och lämnade dem ute i luften, vatten och syre skulle fastna på ytan av nanorören, förnedrar dem med tiden. Vi trodde att lägga till ett skyddande inkapslingsskikt kunde stoppa denna nedbrytningsprocess för att uppnå avsevärt längre livslängder."

Hersam jämför sin lösning med en som för närvarande används för organiska lysdioder (LED), som upplevde liknande problem efter att de först upptäcktes. Många antog att organiska lysdioder inte skulle ha någon framtid eftersom de bryts ned i luften. Efter att forskare utvecklat ett inkapslingsskikt för materialet, organiska lysdioder används nu i många kommersiella tillämpningar, inklusive skärmar för smartphones, bilradio, tv-apparater, och digitalkameror. Tillverkad av polymerer och oorganiska oxider, Hersams inkapslingsskikt bygger på samma idé men skräddarsytt för kolnanorör.

För att visa proof of concept, Hersam utvecklade nanorörsbaserade SRAM-kretsar (static random-access memory). SRAM är en nyckelkomponent i alla mikroprocessorer, utgör ofta så mycket som 85 procent av transistorerna i centralenheten i en vanlig dator. För att skapa de inkapslade kolnanorören, teamet deponerade först kolnanorören från en lösning som tidigare utvecklats i Hersams labb. Sedan belade de rören med sina inkapslingsskikt.

Med hjälp av de inkapslade kolnanorören, Hersams team har framgångsrikt designat och tillverkat arrayer av fungerande SRAM-kretsar. Inte bara skyddade inkapslingsskikten den känsliga enheten från miljön, men de förbättrade rumslig enhetlighet mellan individuella transistorer över skivan. Medan Hersams integrerade kretsar visade en lång livslängd, transistorer som avsattes från samma lösning men inte belagda bröts ned inom några timmar.

"När vi har gjort enheterna, vi kan lämna dem ute i luften utan ytterligare försiktighetsåtgärder, ", sa Hersam. "Vi behöver inte placera dem i en vakuumkammare eller kontrollerad miljö. Andra forskare har tillverkat liknande enheter men var omedelbart tvungna att placera dem i en vakuumkammare eller inert miljö för att hålla dem stabila. Det kommer uppenbarligen inte att fungera i en verklig situation."

Hersam föreställer sig att hans lösningsbearbetade, luftstabilt SRAM skulle kunna användas i framväxande teknologier. Flexibla kolnanorörsbaserade transistorer kan ersätta styvt kisel för att möjliggöra bärbar elektronik. Den billigare tillverkningsmetoden öppnar också dörrar för smarta kort – kreditkort inbäddade med personlig information för att minska sannolikheten för bedrägeri.

"Smarta kort är bara realistiska om de kan realiseras med extremt låg kostnadstillverkning, ", sa han. "Eftersom våra lösningsbehandlade kolnanorör är kompatibla med skalbara och billiga utskriftsmetoder, våra resultat kan möjliggöra smarta kort och relaterade tryckta elektronikapplikationer."