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Una svolta nei transistor a nanotubi
Il controllo della crescita dei nanotubi di carbonio su ampie aree superficiali è essenziale per realizzare transistor con uscite di corrente sufficienti e proprietà coerenti per l'uso nei circuiti elettronici. In un significativo progresso verso tale elettronica basata su nanotubi, i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana Champaign (UIUC) hanno coltivato file di nanotubi di carbonio perfettamente allineati su cristallo di quarzo e hanno utilizzato questi array per realizzare transistor. Gli elettrodi in questi transistor delimitano le file di nanotubi in modo che migliaia di nanotubi facciano ponte sugli elettrodi, aumentando la corrente.
Transistori valvolari: I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana Champaign hanno sviluppato una tecnica per far crescere migliaia di nanotubi di carbonio (mostrati in blu e bianco in questa micrografia elettronica a scansione colorata). I ricercatori depositano elettrodi (mostrati in oro) su due lati degli array di nanotubi per creare transistor con centinaia di nanotubi che collegano gli elettrodi.
In un Nanotecnologia della natura carta, i ricercatori, guidati da John Rogers , un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'UIUC, hanno dimostrato transistor realizzati con circa 2.000 nanotubi, che possono trasportare correnti di un ampere-migliaia di volte superiori alla corrente possibile con singoli nanotubi. I ricercatori hanno anche sviluppato una tecnica per trasferire gli array di nanotubi su qualsiasi substrato, inclusi silicio, plastica e vetro.
I transistor a nanotubi potrebbero essere utilizzati in display flessibili e carta elettronica. Poiché i nanotubi di carbonio possono trasportare corrente a velocità molto più elevate rispetto al silicio, i dispositivi potrebbero essere utilizzati anche in sistemi di comunicazione a radiofrequenza (RF) ad alta velocità e tag di identificazione. In effetti, il team di ricerca sta lavorando con Northrop Grumman per utilizzare la tecnologia nei dispositivi di comunicazione RF, afferma Rogers.
Fino ad ora, realizzare transistor con più nanotubi di carbonio significava depositare elettrodi su strati simili a maglie di nanotubi di carbonio non allineati, afferma Rogers. Ma poiché i nanotubi di carbonio disposti casualmente si incrociano, ad ogni incrocio, le cariche in movimento affrontano una resistenza, che riduce la corrente del dispositivo. L'array perfettamente allineato risolve questo problema perché non ci sono assolutamente giunzioni di sovrapposizione tubo-tubo, dice Rogers.
Il team di ricerca realizza gli array modellando strisce sottili di un catalizzatore di ferro su cristalli di quarzo e quindi coltivando nanotubi di carbonio larghi nanometri lungo quelle strisce utilizzando la deposizione convenzionale di vapore di carbonio. Il cristallo di quarzo allinea i nanotubi. Quindi i ricercatori possono realizzare transistor depositando elettrodi source, drain e gate utilizzando la fotolitografia convenzionale.
I ricercatori non sono stati in grado di coltivare array di nanotubi ben allineati fino ad ora, secondo Robert Hauge , un professore di chimica che studia i nanotubi di carbonio alla Rice University. In effetti, l'allineamento non è più un ostacolo, afferma Ali Javey , un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della California, Berkeley.
Realizzare un array ben ordinato in cui i nanotubi paralleli sono collegati tra gli elettrodi di source e drain è un grande risultato, afferma Richard Martel , professore di chimica all'Università di Montreal. Il nuovo lavoro consente un vero confronto tra transistor a nanotubi e transistor al silicio perché una serie di nanotubi fornisce una struttura planare simile ai dispositivi al silicio, dice. Hanno fatto esattamente ciò che doveva essere fatto, ed è un passo significativo.
I ricercatori hanno realizzato e testato centinaia di transistor a nanotubi e hanno scoperto che i dispositivi hanno proprietà elettriche coerenti, anche se la proprietà di ciascun nanotubo in un dispositivo può variare leggermente. C'è un numero così grande di tubi operativi in ogni dispositivo che c'è un effetto di media statistica, dice Rogers.
Inoltre, le proprietà dei nanotubi non cambiano anche se vengono trasferiti su plastiche o altri substrati. [I] tubi vengono fisicamente sollevati dal quarzo e quindi stampati sul substrato target in modo che non disturbi la posizione e l'orientamento dei nanotubi, afferma Rogers. A causa di questo processo di trasferimento, afferma che gli array potrebbero essere integrati con la fabbricazione di silicio per realizzare circuiti con nanotubi interconnessi e dispositivi al silicio: i dispositivi a nanotubi potrebbero gestire le operazioni ad alta velocità del circuito. Per realizzare un tale chip, sarebbe sufficiente trasferire gli array di nanotubi sul wafer di silicio all'inizio della fabbricazione. Fatto ciò, si potrebbero aggiungere dispositivi al silicio. Non li pensi nemmeno come tubi, dice Roger. In effetti, è un substrato uniforme a film sottile e tu fai solo la tua elaborazione.
Per ora, i nuovi transistor saranno utili per circuiti elettronici più grandi come quelli nei display flessibili e nei chip RF, ma per essere utilizzati nell'elettronica ad alte prestazioni come i chip per computer, i dispositivi necessitano di una struttura e una geometria molto migliori, afferma Javey. Ad esempio, i dispositivi dovrebbero essere molto più piccoli di quanto non siano ora: i transistor sono attualmente lunghi e larghi decine di micrometri.
Per realizzare dispositivi più piccoli, il team UIUC sta lavorando per rendere gli array più densi. In questo momento, la distanza tra i tubi adiacenti è di 100 nanometri, ma in teoria questa separazione potrebbe scendere a un solo nanometro senza influenzare le proprietà elettriche, afferma Martel.
Un'altra area chiave che necessita di lavoro è trovare un modo efficace per realizzare dispositivi con solo nanotubi semiconduttori, afferma Rogers. In genere, un terzo dei nanotubi in qualsiasi lotto cresciuto è metallico, il che fa fluire una piccola corrente attraverso un transistor anche quando è spento. I ricercatori usano un trucco comune per sbarazzarsi dei tubi metallici: spegnere un transistor e applicare un alto voltaggio che faccia esplodere i tubi metallici. Ma per realizzare transistor di buona qualità su scala più ampia, avrebbero bisogno di trovare un modo migliore per sbarazzarsi dei tubi metallici o coltivare selettivamente tubi semiconduttori. Questa, secondo Javey, è l'ultima grande chiave per realizzare l'elettronica dei nanotubi.