Quando le nanoparticelle di rame vengono depositate su reti SWNT (sinistra:rete allineata; destra:rete crossbar), le nanoparticelle creano band gap negli SWNT metallici, che riduce la corrente di dispersione e migliora il rapporto on/off di un transistor. Credito:D. Asheghali, et al.
(Phys.org) — I futuri transistor realizzati con nanotubi di carbonio a parete singola semiconduttori (s-SWNT) hanno il potenziale per funzionare molto meglio dei transistor odierni. Però, quando gli SWNT vengono coltivati in massa, solo i due terzi circa sono semiconduttori, mentre l'altro terzo è metallico (m-SWNT). Poiché gli m-SWNT hanno una conduttività maggiore rispetto agli s-SWNT, la loro presenza consente la dispersione di corrente nello stato spento di un transistor, che riduce notevolmente il rapporto di corrente on/off del transistor e le prestazioni complessive. In un nuovo studio, gli scienziati hanno dimostrato che semplicemente decorare gli m-SWNT con nanoparticelle di ossido di rame può convertirli in s-SWNT, con conseguente aumento di 205 volte nel rapporto di corrente on/off di un transistor.
I ricercatori, Darya Asheghali, Pornnipa Vichchulada, e Professore Associato Marcus D. Lay presso l'Università della Georgia ad Atene, hanno pubblicato il loro articolo sulla conversione di m-SWNT in s-SWNT in un recente numero del Giornale della Società Chimica Americana .
Precedenti studi hanno tentato di superare il problema degli m-SWNT utilizzando metodi spesso complessi e costosi. Alcuni approcci prevedono l'utilizzo di metodi di crescita SWNT specializzati che selezionano per s-SWNT, mentre altri approcci implicano l'elaborazione della soluzione post-crescita per rimuovere m-SWNT.
L'approccio proposto nel nuovo studio potrebbe fornire una soluzione più semplice per ottenere grandi quantità di s-SWNT. Dopo aver coltivato gli SWNT utilizzando un metodo di crescita in massa convenzionale, i ricercatori hanno depositato nanoparticelle di ossido di rame sub-10-nm su tutti i nanotubi, sia metallici che semiconduttori. Questo singolo passaggio converte gli m-SWNT in s-SWNT e migliora anche le proprietà elettriche degli s-SWNT originali.
Quando i ricercatori hanno incorporato questi s-SWNT decorati nei transistor, hanno scoperto che i rapporti di corrente on/off dei transistor sono aumentati da circa 21 a 4300, che rappresenta un miglioramento di 205 volte.
La ragione per cui le nanoparticelle hanno questo effetto è a causa del modo in cui cambiano i band gap degli SWNT. Poiché un band gap è l'intervallo di energia in un materiale in cui gli elettroni non possono esistere, generalmente una banda proibita ampia corrisponde a una bassa conduttività elettrica, e viceversa. Tipicamente, gli isolanti hanno grandi lacune di banda, i semiconduttori hanno band gap più piccoli, e i conduttori hanno gap di banda molto piccoli o nulli.
Nello studio attuale, gli m-SWNT originariamente non hanno band gap, rendendoli buoni conduttori. Sebbene l'alta conduttività sia buona quando i transistor sono in stato acceso (quando gli elettroni fluiscono), è una passività nello stato spento (dove gli elettroni non fluiscono). Essendo altamente conduttivo, gli m-SWNT perdono molta corrente quando sono spenti.
Come dimostrano qui i ricercatori, le nanoparticelle di ossido di rame possono aprire un band gap negli m-SWNT, che limita il flusso di corrente e riduce notevolmente la corrente di dispersione quando il transistor è spento. Ora che gli m-SWNT hanno una banda proibita, sono per definizione s-SWNT. Le nanoparticelle aumentano anche i band gap degli s-SWNT, che migliora sia la loro uniformità che l'efficienza attuale.
I ricercatori spiegano che le nanoparticelle di ossido di rame creano/aumentano questi gap di banda ritirando la densità elettronica dagli SWNT nel punto di contatto. In un senso, le nanoparticelle agiscono come minuscole valvole lungo un filo che aumentano la sensibilità degli SWNT alle tensioni di gate in determinati punti, modificando la conduttività complessiva degli SWNT.
Sebbene i ricercatori descrivano l'effetto come una conversione di SWNT metallici in SWNT semiconduttori, chiariscono anche che, quando si tratta di esso, Gli m-SWNT non sono veri metalli. Anziché, dovrebbero essere considerati semimetalli o semiconduttori a gap di banda zero perché i veri metalli non potrebbero essere resi sensibili alla tensione di gate.
Anche il grafene rientra in questa categoria di semimetalli. Però, è più complicato aprire un band gap nel grafene perché il grafene è un materiale 2-D. I ricercatori spiegano che la natura 1-D degli SWNT semplifica il processo di sintonizzazione del gap di banda consentendo alle nanoparticelle di agire come valvole su un filo e di arrestare localmente il trasporto di elettroni. Questo approccio non può essere trasferito al grafene planare a causa della sua diversa geometria.
Questo metodo relativamente semplice di utilizzare le nanoparticelle per convertire m-SWNT in s-SWNT, e il significativo miglioramento delle prestazioni che ne deriva, ha un grande potenziale per favorire lo sviluppo di transistor basati su SWNT in futuro, oltre a trasferirsi in altre aree.
"La capacità di aprire un bandgap nei semiconduttori a base di grafite come SWNT e grafene avrà applicazioni nei sensori e nella conversione dell'energia, "Lay ha detto Phys.org .
Per quanto riguarda i transistor ad effetto di campo (FET) SWNT, Lay ha spiegato che rimangono altre sfide prima che possano diffondersi commercialmente.
"Il problema più grande che affligge i FET SWNT è la mancanza di metodi di purificazione e formazione di sospensioni che separano gli SWNT ad alto rapporto di aspetto necessari per applicazioni strutturali ed elettroniche dalle particelle di fuliggine e catalizzatore che costituiscono circa il 50% dei campioni SWNT con metodi di crescita in massa comuni, " ha detto. "Un altro grande ostacolo è la mancanza di metodi di deposizione che consentano il controllo sulla densità e l'allineamento degli SWNT".
Lay e il suo gruppo hanno contribuito in modo significativo a queste due aree in un altro studio recente 1 .
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