I årtionden, Forskare har försökt utnyttja de unika egenskaperna hos kolnanorör för att skapa högpresterande elektronik som är snabbare eller förbrukar mindre ström – vilket resulterar i längre batteritid, snabbare trådlös kommunikation och snabbare bearbetningshastigheter för enheter som smartphones och bärbara datorer.

Men ett antal utmaningar har hindrat utvecklingen av högpresterande transistorer gjorda av kolnanorör, små cylindrar gjorda av kol bara en atom tjock. Följaktligen, deras prestanda har hamnat långt efter halvledare som kisel och galliumarsenid som används i datorchips och personlig elektronik.

Nu, för första gången, University of Wisconsin-Madison materialingenjörer har skapat kolnanorörstransistorer som överträffar toppmoderna kiseltransistorer.

Leds av Michael Arnold och Padma Gopalan, UW-Madison professorer i materialvetenskap och teknik, lagets kolnanorörstransistorer uppnådde ström som är 1,9 gånger högre än kiseltransistorer. Forskarna rapporterade sitt framsteg i ett papper publicerat fredag ​​(2 september) i tidningen Vetenskapens framsteg .

"Denna prestation har varit en dröm för nanoteknik under de senaste 20 åren, ", säger Arnold. "Att tillverka kolnanorörstransistorer som är bättre än kiseltransistorer är en stor milstolpe. Detta genombrott i kolnanorörstransistorprestanda är ett avgörande framsteg mot att utnyttja kolnanorör i logik, höghastighetskommunikation, och andra halvledarelektronikteknologier."

Detta framsteg kan bana väg för kolnanorörstransistorer att ersätta kiseltransistorer och fortsätta leverera de prestandavinster som datorindustrin är beroende av och som konsumenterna efterfrågar. De nya transistorerna är särskilt lovande för trådlös kommunikationsteknik som kräver mycket ström som flödar över ett relativt litet område.

Som några av de bästa elektriska ledarna någonsin upptäckt, Kolnanorör har länge erkänts som ett lovande material för nästa generations transistorer.

Kolnanorörstransistorer ska kunna prestera fem gånger snabbare eller använda fem gånger mindre energi än kiseltransistorer, enligt extrapolationer från enstaka nanorörsmätningar. Nanorörets extremt lilla dimension gör det möjligt att snabbt ändra en strömsignal som färdas över den, vilket kan leda till avsevärda vinster i bandbredden för trådlösa kommunikationsenheter.

Men forskare har kämpat för att isolera rent kolnanorör, som är avgörande, eftersom metalliska nanorörsföroreningar fungerar som koppartrådar och stör deras halvledande egenskaper - som en kortslutning i en elektronisk enhet.

UW-Madison-teamet använde polymerer för att selektivt sortera ut de halvledande nanorören, uppnå en lösning av halvledande kolnanorör med ultrahög renhet.

"Vi har identifierat specifika förhållanden där du kan bli av med nästan alla metalliska nanorör, där vi har mindre än 0,01 procent metalliska nanorör, säger Arnold.

Placering och inriktning av nanorören är också svår att kontrollera.

För att göra en bra transistor, nanorören måste justeras i rätt ordning, med precis rätt mellanrum, när den är monterad på en wafer. Under 2014, UW-Madison-forskarna övervann den utmaningen när de tillkännagav en teknik, kallad "flytande evaporativ självmontering, "det ger dem denna kontroll.

Nanorören måste ha goda elektriska kontakter med metallelektroderna på transistorn. Eftersom polymeren som UW-Madison-forskarna använder för att isolera de halvledande nanorören också fungerar som ett isolerande lager mellan nanorören och elektroderna, teamet "bakade" nanorörsarrayerna i en vakuumugn för att ta bort det isolerande lagret. Resultatet:utmärkta elektriska kontakter till nanorören.

Forskarna utvecklade också en behandling som tar bort rester från nanorören efter att de har bearbetats i lösning.

"I vår forskning, vi har visat att vi samtidigt kan övervinna alla dessa utmaningar med att arbeta med nanorör, och det har gjort det möjligt för oss att skapa dessa banbrytande kolnanorörstransistorer som överträffar kisel- och galliumarsenidtransistorer, säger Arnold.

Forskarna jämförde sin kolnanorörstransistor mot en kiseltransistor av samma storlek, geometri och läckström för att göra en jämförelse mellan äpplen och äpplen.

De fortsätter att arbeta med att anpassa sin enhet för att matcha den geometri som används i kiseltransistorer, som blir mindre för varje ny generation. Arbete pågår också för att utveckla högpresterande radiofrekvensförstärkare som kan förstärka en mobiltelefonsignal. Medan forskarna redan har skalat sin inriktning och avsättningsprocess till 1 tum gånger 1 tums skivor, de arbetar med att skala upp processen för kommersiell produktion.

Arnold säger att det är spännande att äntligen nå den punkt där forskare kan utnyttja nanorören för att uppnå prestandavinster i faktiska teknologier.

"Det har varit mycket hype om kolnanorör som inte har förverkligats, och det har på ett sätt försämrat många människors syn, " säger han. "Men vi tycker att hypen är välförtjänt. Det har bara tagit årtionden av arbete för materialvetenskapen att komma ikapp och tillåta oss att effektivt utnyttja dessa material."

Forskarna har patenterat sin teknologi genom Wisconsin Alumni Research Foundation.