(Phys.org)—I nanotubi di carbonio a parete singola potrebbero un giorno sostituire il silicio nell'elettronica, ma per farlo, i nanotubi devono essere allineati in array densi per prestazioni ottimali. Finora, la più alta densità di nanotubi è inferiore a 50 tubi/μm, ma in un nuovo studio i ricercatori hanno battuto questo record raggiungendo una densità di oltre 500 tubi/μm. La maggiore densità porta a migliori prestazioni, avvicinando i nanotubi a un ruolo nelle tecnologie post-silicio.

I ricercatori, Qing Cao all'IBM T.J. Watson Research Center a Yorktown Heights, New York, e coautori, hanno pubblicato il loro studio sui densi array di nanotubi di carbonio in un recente numero di Nanotecnologia della natura .

Come hanno spiegato i ricercatori, l'elettronica basata su nanotubi di carbonio con le migliori proprietà elettriche dovrebbe avere nanotubi puramente semiconduttori, che sono ben allineati, e che formano array con una densità più alta possibile, fino a ricoprire tutto il supporto.

Per soddisfare questi requisiti, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di fabbricazione chiamata metodo Langmuir-Schaefer, che comporta la dispersione di nanotubi semiconduttori pre-arricchiti su una superficie d'acqua. I nanotubi galleggianti si estendono per coprire l'intera superficie a causa della tensione superficiale. L'applicazione di una forza di compressione assembla i nanotubi in matrici ben ordinate, e la compressione viene interrotta quando il film di nanotubi diventa incomprimibile, il che indica che gli array di nanotubi hanno coperto l'intera superficie. Gli array di nanotubi risultanti hanno una purezza semiconduttiva del 99% e sono allineati entro 17° l'uno dall'altro.

Come spiegano i ricercatori, il miglioramento più grande deriva dall'aumento della densità. Considerando che i precedenti array con densità inferiori a 50 tubi/μm di densità coprono circa il 10% di una superficie, il nuovo array con densità di 500 tubi/μm può coprire quasi il 100% di una superficie. Le immagini di un microscopio elettronico a effetto tunnel rivelano inoltre che una superficie con nanotubi confezionati in un doppio strato ha una densità stimata del tubo pari a 1, 100 provette/μm.

L'aumento della densità fornisce miglioramenti sostanziali nelle proprietà dei dispositivi elettronici costruiti con nanotubi. Per esempio, l'elettronica a film sottile a basso costo potrebbe essere costruita su nanotubi di carbonio e realizzare nuove applicazioni come economicamente usa e getta, meccanicamente flessibile, e/o dispositivi elettronici otticamente trasparenti. La maggior parte dei transistor a film sottile di nanotubi di carbonio riportati finora sono stati costruiti con densità di array o di rete di 6-10 tubi/μm. Questa copertura superficiale limitata si traduce in una capacità di gate per area che è circa 10 volte inferiore a quella dei transistor a film sottile convenzionali costruiti su materiali come silicio amorfo o semiconduttori di ossido, che diminuisce la velocità di funzionamento e aumenta la resistenza di uscita. D'altra parte, i transistor costruiti con gli array di nanotubi ad alta densità possono superare completamente questa limitazione, portando a prestazioni del dispositivo notevolmente migliorate.

I ricercatori si aspettano anche che i nanotubi di carbonio sostituiscano il silicio alla fine dell'attuale tabella di marcia di ridimensionamento per estendere ulteriormente la legge di Moore. Per tali applicazioni ad alte prestazioni, è necessaria un'elevata densità del tubo per ottenere un'elevata densità di uscita di corrente, che consente una maggiore velocità operativa e una maggiore densità di imballaggio del dispositivo. Rispetto ai precedenti migliori risultati ottenuti su dispositivi costruiti con una densità di array di 4 tubi/μm, i nano-transistor in scala costruiti con gli array ad alta densità dimostrano prestazioni molte volte migliori, con la più alta transconduttanza e densità di corrente segnalate finora per i transistor a nanotubi insieme a un elevato rapporto on/off di circa 10 ³ .

I ricercatori qui prevedono che le proprietà elettriche degli array di nanotubi ad alta densità possono essere ulteriormente migliorate apportando diverse modifiche, come migliorare il contatto elettrico tra gli array di nanotubi e gli elettrodi metallici, utilizzando migliori tecniche di separazione dei nanotubi, e migliorare la consistenza del dispositivo. Nel futuro, i ricercatori affermano che le sfide principali risiederanno nel requisito di un controllo ingegneristico estremo piuttosto che nelle limitazioni intrinseche dei nanotubi stessi.

"Per applicazioni logiche ad alte prestazioni, attualmente il nostro obiettivo è sostituire il silicio con nanotubi di carbonio a un nodo tecnologico a 5 nm nel 2022-23, "Cao ha detto Phys.org . "Sono stati ottenuti miglioramenti significativi, soprattutto nell'aspetto materiale, durante gli ultimi cinque anni. Ora possiamo separare semiconduttori e nanotubi metallici con una purezza superiore al 99%, e assemblare nanotubi ad alta densità. Un ulteriore miglioramento per ottenere una purezza del 99,99% e ridurre i difetti presenti durante l'assemblaggio è più o meno una sfida di controllo tecnico.

"Allo stesso tempo, è necessario lavorare di più per migliorare ulteriormente il dispositivo, soprattutto in questa dimensione estremamente scalata. Per esempio, la resistenza di contatto del dispositivo deve essere ridotta con la limitazione della lunghezza di contatto limitata. È necessario stabilire un processo autoallineato per fabbricare transistor a nanotubi sub-10 nm per ridurre al minimo la capacità parassita. Per l'elettronica a film sottile, secondo me, i nanotubi di carbonio sono quasi pronti per competere con altre tecnologie sul mercato. Sono ancora necessari ulteriori miglioramenti in termini di affidabilità e uniformità del dispositivo, ma la sfida principale è trovare l'applicazione di nicchia adatta."

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