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Elettronica pratica a nanotubi
I nanotubi di carbonio sono un materiale promettente per realizzare circuiti di controllo del display perché sono più efficienti del silicio e possono essere disposti su superfici flessibili. Fino a poco tempo, però, trasformare i nanotubi in transistor era un processo meticoloso. Ora i ricercatori della University of Southern California hanno dimostrato grandi e funzionali array di transistor realizzati con metodi semplici da lotti di nanotubi di carbonio che sono relativamente impuri.
Serie di nanotubi: Questa foto mostra un wafer di silicio da tre pollici ricoperto da una serie di transistor a nanotubi di carbonio. Sebbene questi transistor siano stati realizzati utilizzando processi semplici a temperatura ambiente, le loro prestazioni sono abbastanza buone da pilotare i pixel del display.
I pixel in uno schermo di computer o televisore, sia esso un LCD o al plasma, sono controllati ciascuno da diversi transistor. Nei dispositivi odierni, questi transistor sono realizzati in silicio. Gli array di questi transistor devono essere realizzati ad alte temperature e nel vuoto, quindi sono molto costosi, afferma Chongwu Zhou , professore associato di ingegneria elettrica presso la USC e ricercatore sul progetto dei nanotubi.
Anche i transistor sono stati realizzati con nanotubi di carbonio, ma anche questo presenta delle sfide. Molte persone usano un nanotubo per realizzare un transistor molto piccolo e ad alte prestazioni per i chip dei computer, afferma Zhou. Ma quel rapporto uno a uno non funzionerà per i display, in cui un'ampia superficie deve essere coperta di transistor. Se usiamo un nanotubo per un transistor, il rendimento non sarà mai abbastanza alto da funzionare per la produzione su larga scala di grandi schermi, dice. Zhou crede che il suo approccio risolverà questo problema realizzando transistor più grandi da tappetini di nanotubi.
I ricercatori dell'USC realizzano grandi array di transistor a nanotubi di carbonio utilizzando tecniche di elaborazione della soluzione a temperatura ambiente. Iniziano mettendo un wafer di silicio in un bagno chimico per rivestire la sua superficie con una sostanza chimica che attrae i nanotubi, quindi sciacquando via il residuo. Il wafer trattato viene quindi immerso in una soluzione di nanotubi di carbonio semiconduttori, che vengono attratti sulla sua superficie. Il wafer, ora ricoperto da un tappeto di nanotubi, viene nuovamente risciacquato. Per creare transistor da questo groviglio, i ricercatori hanno posizionato degli elettrodi metallici in posizioni selezionate. Gli elettrodi definiscono dove si trova ogni transistor e trasportano gli elettroni dentro e fuori i nanotubi che si trovano tra di loro. Le aree di silicio sottostanti a ciascun dispositivo fungono da porte dei transistor. Finora hanno costruito un prototipo di dispositivo su un wafer di silicio da quattro pollici e lo hanno utilizzato per controllare un semplice display a diodi organici a emissione di luce. Questo lavoro è descritto online nella rivista Nano lettere .
Altri ricercatori hanno realizzato transistor da tappeti di nanotubi utilizzando l'elaborazione in soluzione, ma questi progetti sono partiti da miscele di nanotubi conduttori e semiconduttori, portando a prestazioni molto scarse. E alla fine dell'anno scorso, i ricercatori dell'IBM e della Northwestern University hanno utilizzato nanotubi semiconduttori altamente purificati per realizzare array di transistor ad alte prestazioni in cui tutti i nanotubi si allineano in linee quasi rette, il che migliora le loro proprietà elettriche.
Il significato del lavoro dell'USC è che mostra che gli array realizzati solo con il 95% di nanotubi semiconduttori che non sono allineati hanno ancora prestazioni sufficienti per i display, afferma Zhou.
Questa è la prima volta che qualcuno ha mostrato tubi semiconduttori purificati e depositati in soluzione per transistor di alta qualità, afferma John Rogers , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. Il risultato sta nell'integrazione di diversi approcci promettenti per dimostrare una sequenza completa per la fabbricazione dell'elettronica.
Ora che il suo gruppo ha dimostrato la fattibilità di queste tecniche, dice Zhou, sta lavorando per costruire un display a LED organico veramente integrato, flessibile e trasparente. Tale display potrebbe essere arrotolato per entrare in una tasca o montato sul parabrezza di un'auto per mostrare informazioni al conducente. Il primo passo è eliminare il silicone rigido. Poiché i nanotubi possono essere posati a temperatura ambiente, i ricercatori dell'USC possono costruirli su fogli di plastica elettricamente attivi che non possono tollerare le alte temperature. Stanno anche lavorando per sostituire gli elettrodi metallici rigidi con un rivestimento di ossido di indio-stagno, un materiale per elettrodi comunemente usato, flessibile e trasparente. Nel loro prototipo, i pixel LED organici sono collegati all'array di transistor tramite fili; per integrarli dovranno trovare metodi per costruire i LED sopra il circuito di controllo.
Zhou dice che sta parlando con le aziende di visualizzazione sulla commercializzazione di questi metodi. Il gigante coreano dei display LG ha dimostrato interesse per l'elettronica dei nanotubi di carbonio e i ricercatori IBM hanno pubblicato sull'argomento. Tuttavia, l'unica azienda a uscire con un prodotto elettronico a nanotubi finora è la startup di Menlo Park, in California Unidym , che rende gli elettrodi dal materiale.
I ricercatori del settore parlano da anni di display a nanotubi e il rapimento, afferma Mark Hersam della Northwestern University, è stata la mancanza di una fornitura sufficientemente grande di nanotubi di carbonio semiconduttori. Nel 2006, il professore di scienze dei materiali Hersam ha sviluppato un metodo semplice per purificare i nanotubi in base alle loro proprietà centrifugandoli in una soluzione saponosa. Ha poi fondato una società, chiamata NanoIntegris , che ha fornito nanotubi semiconduttori a gruppi tra cui Zhou e il team di ricerca di IBM. Una società di nuova costituzione in Cina e una in Giappone forniscono anche i nanotubi semiconduttori necessari per realizzare array di transistor per controllare i display.
Con questa fornitura in atto, afferma Hersam, è solo una questione di tempo prima che un'azienda esca con un prodotto, che sia realizzato utilizzando un metodo come quello di Zhou o qualche altro metodo. Sono sicuro che ci sarà una suite di prodotti nel prossimo futuro, afferma Hersam. Si tratta di passare dalla prototipazione al mercato.