I ricercatori dell'Università del Texas ad Austin e della Northwestern University hanno dimostrato un nuovo metodo per migliorare l'affidabilità e le prestazioni di transistor e circuiti basati su nanotubi di carbonio (CNT), un materiale semiconduttore che è stato a lungo considerato dagli scienziati come uno dei successori più promettenti del silicio per piccoli, dispositivi elettronici più veloci ed economici. Il risultato appare in un nuovo articolo pubblicato sulla rivista Lettere di fisica applicata , da AIP Publishing.

Nella carta, i ricercatori hanno esaminato l'effetto di un rivestimento in fluoropolimero chiamato PVDF-TrFE su transistor con nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) e circuiti oscillatori ad anello, e ha dimostrato che questi rivestimenti possono migliorare sostanzialmente le prestazioni dei dispositivi con nanotubi di carbonio a parete singola. Il PVDF-TrFE è anche conosciuto con il suo lungo nome chimico polivinilendifluoruro-tetrafluoroetilene.

"Attribuiamo i miglioramenti alla natura polare del PVDF-TrFE che mitiga l'effetto negativo di impurità e difetti sulle prestazioni dei nanotubi di carbonio a parete singola semiconduttori, " disse Ananth Dodabalapur, un professore della Cockrell School of Engineering dell'UT Austin che ha guidato la ricerca. "L'uso di strati di copertura [PVDF-TrFE] sarà di grande beneficio per l'adozione di circuiti di nanotubi di carbonio a parete singola nell'elettronica stampata e nelle applicazioni di visualizzazione flessibile".

Il lavoro è stato svolto in collaborazione tra il gruppo di Dodabalapur all'UT Austin e il gruppo di Mark Hersam alla Northwestern University come parte di una Multi-University Research Initiative (MURI) supportata dall'Office of Naval Research.

Un potenziale successore dei chip di silicio

I nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) sono quasi i tubi più sottili che possono essere lavorati dalla natura. Sono cilindri formati arrotolando un materiale noto come grafene, che è un appartamento, strato di grafite di carbonio dello spessore di un singolo atomo. La maggior parte dei nanotubi di carbonio a parete singola ha tipicamente un diametro vicino a 1 nanometro e può essere attorcigliata, appiattito e piegato in piccoli cerchi o intorno a curve strette senza rompersi. Questi filamenti di carbonio ultrasottili hanno un'elevata mobilità, elevata trasparenza e conducibilità elettrica, rendendoli ideali per eseguire attività elettroniche e realizzare dispositivi elettronici flessibili come transistor a film sottile, gli interruttori on-off al centro dei sistemi elettronici digitali.

"I transistor ad effetto di campo (FET) con nanotubi di carbonio a parete singola hanno caratteristiche simili ai FET in silicio policristallino, un transistor al silicio a film sottile attualmente utilizzato per pilotare i pixel nei display a emissione di luce organica (OLED), " ha detto Mark Hersam, Collaboratore di Dodabalapur e professore alla McCormick School of Engineering and Applied Science presso la Northwestern University. "Ma i nanotubi di carbonio a parete singola sono più vantaggiosi del silicio policristallino in quanto sono processabili in soluzione o stampabili, che potenzialmente potrebbe ridurre i costi di produzione."

La flessibilità meccanica dei nanotubi di carbonio a parete singola dovrebbe anche consentire loro di essere incorporati in applicazioni emergenti come l'elettronica flessibile e l'elettronica indossabile, Egli ha detto.

Per anni, gli scienziati hanno sperimentato dispositivi con nanotubi di carbonio come successori dei dispositivi in ​​silicio, poiché il silicio potrebbe presto raggiungere il suo limite fisico nel fornire sempre più piccoli, dispositivi elettronici più veloci ed economici. Sebbene in futuro si prevede che i circuiti realizzati con nanotubi di carbonio a parete singola saranno più efficienti dal punto di vista energetico di quelli in silicio, i loro svantaggi nei transistor ad effetto di campo, come un'elevata dissipazione di potenza e una minore stabilità, attualmente limitano le loro applicazioni nell'elettronica stampata, secondo Dodabalapur.

Una nuova tecnica per migliorare le prestazioni dei dispositivi SWCNT

Per superare gli inconvenienti dei transistor ad effetto di campo con nanotubi di carbonio a parete singola e migliorarne le prestazioni, i ricercatori hanno depositato PVDF-TrFE sulla parte superiore di transistor di nanotubi di carbonio a parete singola auto-fabbricati mediante stampa a getto d'inchiostro, a basso costo, processo di deposizione basato su soluzioni con buona risoluzione spaziale. Il film rivestito di fluoropolimero è stato quindi ricotto o riscaldato in aria a 140 gradi Celsius per tre minuti. Dopo, i ricercatori hanno osservato le differenze delle caratteristiche del dispositivo.

"Abbiamo riscontrato miglioramenti sostanziali delle prestazioni con il nanotubo di carbonio a parete singola rivestito in fluoropolimero sia a livello di dispositivo che a livello di circuito, " ha osservato Dodabalapur.

A livello di dispositivo, si verificano diminuzioni significative in parametri chiave come magnitudo fuori corrente, grado di isteresi, variazione della tensione di soglia e degradazione dello stress di polarizzazione, quale, Dodabalapur ha detto, significa un tipo di energia più efficiente, transistor stabili e uniformi con un tempo di vita più lungo.

A livello di circuito, poiché un transistor è il componente più basilare nei circuiti digitali, la migliore uniformità nelle caratteristiche del dispositivo, inoltre gli effetti benefici dei singoli transistor alla fine si traducono in prestazioni migliorate di un circuito oscillatore ad anello complementare a cinque stadi, uno dei circuiti digitali più semplici.

"La frequenza e l'ampiezza di oscillazione [del circuito oscillatore ad anello di nanotubi di carbonio a parete singola] sono aumentate rispettivamente del 42 percento e del 250 percento, " ha detto Dodabalapur. I parametri indicano un circuito più veloce e più performante con un consumo energetico possibilmente ridotto.

Dodabalapur e i suoi collaboratori hanno attribuito i miglioramenti alla natura polare del PVDF-TrFE.

"Prima che i transistor ad effetto di campo con nanotubi di carbonio a parete singola fossero fabbricati mediante stampa a getto d'inchiostro, sono stati dispersi in un solvente organico per fare un inchiostro stampabile. Dopo il processo di fabbricazione, potrebbero esserci residui di sostanze chimiche [sul dispositivo], causando la concentrazione di impurità di fondo, " ha spiegato Dodabalapur. "Queste impurità possono agire come difetti carichi che intrappolano i portatori di carica nei semiconduttori e riducono la mobilità dei vettori, che alla fine potrebbe deteriorare le prestazioni dei transistor."

Il PVDF-TrFE è una molecola polare le cui cariche negative e positive sono separate alle diverse estremità della molecola, ha detto Dodabalapur. Le due estremità cariche formano un legame elettrico, o dipolo, nel mezzo. Dopo il processo di ricottura, i dipoli nelle molecole di PVDF-TrFE adottano uniformemente un orientamento stabile che tende a cancellare gli effetti delle impurezze cariche nei transistor ad effetto di campo di nanotubi di carbonio a parete singola, che ha facilitato il flusso del vettore nel semiconduttore e migliorato le prestazioni del dispositivo.

A conferma della loro ipotesi, Dodabalapur e i suoi collaboratori hanno eseguito esperimenti confrontando gli effetti dei vapori polari e non polari sui transistor a effetto di campo di nanotubi di carbonio a parete singola. I risultati supportano la loro ipotesi.

Il prossimo passo, Dodabalapur ha detto, consiste nell'implementare circuiti più complessi con transistor ad effetto di campo di nanotubi di carbonio a parete singola.