Date le loro eccezionali proprietà meccaniche ed elettriche, i nanotubi di carbonio sono elementi costitutivi interessanti per i dispositivi nanoelettromeccanici di prossima generazione, compresi sensori ad alte prestazioni, dispositivi logici, ed elementi di memoria. Però, le sfide di produzione associate alla creazione di array ben ordinati di singoli nanotubi di carbonio e le modalità di guasto prevalenti dei dispositivi a nanotubi hanno impedito qualsiasi uso commerciale su larga scala.
Ora, ricercatori della Northwestern University, il Centro per le nanotecnologie integrate presso i laboratori nazionali Sandia e Los Alamos, e la Binghamton University hanno trovato un modo per migliorare notevolmente l'affidabilità dei sistemi nanoelettromeccanici basati su nanotubi di carbonio. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Piccolo .
"A seconda della loro geometria, questi dispositivi hanno la tendenza a rimanere chiusi, ustioni o fratture dopo pochi cicli, " disse Horacio Espinosa, James N. e Nancy J. Professore alla McCormick School of Engineering della Northwestern University. "Ciò limita in modo significativo qualsiasi applicazione pratica di tali nanodispositivi. La nostra scoperta potrebbe essere una chiave per far progredire i sistemi nanoelettromeccanici basati su nanotubi di carbonio da dimostrazioni su scala di laboratorio ad alternative praticabili e attraenti a molti dei nostri attuali dispositivi microelettronici".
Ad oggi, i dispositivi nanoelettromeccanici basati su nanotubi di carbonio hanno usato ubiquitariamente metallo, elettrodi a film sottile. Il gruppo della Northwestern University in collaborazione con i ricercatori SANDIA ha sostituito questi elettrodi con elettrodi realizzati in carbonio simile al diamante (un materiale elettricamente conduttivo e meccanico robusto), che ha soppresso l'inizio del fallimento. Ciò ha consentito loro di dimostrare il primo esempio di dispositivi nanoelettromeccanici costruiti da singoli CNT che commutano in modo affidabile su numerosi cicli e di applicare questa funzionalità agli elementi di memoria che memorizzano stati binari.
"Questo rappresenta un passo significativo nella maturazione della tecnologia dei dispositivi basati su nanotubi di carbonio, " disse Espinosa.
Il team ha utilizzato un interruttore nanoelettromeccanico basato su nanotubi di carbonio come piattaforma per studiare le modalità di guasto e studiare potenziali soluzioni.
"Questo switch condivide principi operativi, e quindi modalità di guasto, con numerosi dispositivi segnalati, " disse Owen Loh, uno studente laureato nel laboratorio di Espinosa. "In questo modo, speriamo che i risultati siano ampiamente applicabili".
Primo, il team ha condotto uno studio parametrico dello spazio di progettazione dei dispositivi utilizzando elettrodi metallici convenzionali. Ciò ha consentito di identificare il punto di insorgenza delle varie modalità di guasto all'interno dello spazio di progettazione e ha evidenziato la regione altamente limitata in cui i dispositivi avrebbero funzionato in modo affidabile senza guasti. Hanno quindi utilizzato modelli computazionali per spiegare i meccanismi alla base delle modalità di guasto osservate sperimentalmente.
"Utilizzando questi modelli, possiamo replicare la geometria dei dispositivi testati e alla fine spiegare perché si guastano, " ha detto Xiaoding Wei, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Espinosa.
Il team ha quindi dimostrato che l'utilizzo di materiali elettrodici alternativi come il carbonio simile al diamante potrebbe migliorare notevolmente l'affidabilità di questi dispositivi. Hanno ripetuto uno studio parametrico simile utilizzando elettrodi di carbonio simili a diamanti anziché film sottili di metallo e hanno riscontrato un notevole miglioramento nella robustezza del dispositivo. Ciò ha consentito la commutazione affidabile dei dispositivi basati su nanotubi di carbonio attraverso numerosi cicli, così come l'applicazione alla memorizzazione volatile degli stati binari "0" e "1".
