I singoli transistor realizzati con nanotubi di carbonio sono più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto a quelli realizzati con altri materiali. Passando da un singolo transistor a un circuito integrato pieno di transistor, però, è un salto da gigante.
"Un singolo microprocessore contiene un miliardo di transistor, ", ha detto Mark Hersam della Northwestern Engineering. "Tutti miliardi di loro funzionano. E non solo funzionano, ma funzionano in modo affidabile per anni o addirittura decenni."
Quando si cerca di fare il salto da un individuo, transistor a base di nanotubi per circuiti integrati su scala wafer, molti gruppi di ricerca, compreso quello di Hersam, hanno incontrato sfide. Per uno, il processo è incredibilmente costoso, spesso richiedono camere bianche da miliardi di dollari per mantenere i delicati componenti di dimensioni nanometriche al sicuro dagli effetti potenzialmente dannosi dell'aria, acqua, e polvere. I ricercatori hanno anche lottato per creare un circuito integrato basato su nanotubi di carbonio in cui i transistor sono spazialmente uniformi attraverso il materiale, che è necessario per il funzionamento dell'intero sistema.
Ora Hersam e il suo team alla Northwestern University hanno trovato una chiave per risolvere tutti questi problemi. Il segreto sta negli strati di incapsulamento di nuova concezione che proteggono i nanotubi di carbonio dal degrado ambientale.
Supportato dall'Office of Naval Research e dalla National Science Foundation, la ricerca appare online in Nanotecnologia della natura il 7 settembre. Tobin J. Marks, il Vladimir N. Ipatieff Research Professor of Chemistry presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern e professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering, coautore del documento. Michael Geier, uno studente laureato nel laboratorio di Hersam, fu il primo autore.
"Una delle realtà di un nanomateriale, come un nanotubo di carbonio, è che essenzialmente tutti i suoi atomi sulla superficie, " disse Hersam, il Walter P. Murphy Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali. "Quindi tutto ciò che tocca la superficie di questi materiali può influenzare le loro proprietà. Se realizzassimo una serie di transistor e li lasciassimo in aria, acqua e ossigeno si attaccherebbero alla superficie dei nanotubi, degradandoli nel tempo. Abbiamo pensato che l'aggiunta di uno strato di incapsulamento protettivo potesse arrestare questo processo di degradazione per ottenere durate sostanzialmente più lunghe".
Hersam confronta la sua soluzione con quella attualmente utilizzata per i diodi organici a emissione di luce (LED), che hanno sperimentato problemi simili dopo che sono stati realizzati per la prima volta. Molte persone pensavano che i LED organici non avrebbero avuto futuro perché si degradavano nell'aria. Dopo che i ricercatori hanno sviluppato uno strato di incapsulamento per il materiale, i LED organici sono ora utilizzati in molte applicazioni commerciali, inclusi display per smartphone, autoradio, televisori, e fotocamere digitali. Realizzato con polimeri e ossidi inorganici, Lo strato di incapsulamento di Hersam si basa sulla stessa idea, ma è adattato ai nanotubi di carbonio.
Per dimostrare la prova del concetto, Hersam ha sviluppato circuiti di memoria statica ad accesso casuale (SRAM) basati su nanotubi. SRAM è un componente chiave di tutti i microprocessori, spesso costituiscono fino all'85 percento dei transistor nell'unità di elaborazione centrale di un computer comune. Per creare i nanotubi di carbonio incapsulati, il team ha prima depositato i nanotubi di carbonio da una soluzione precedentemente sviluppata nel laboratorio di Hersam. Quindi hanno rivestito i tubi con i loro strati di incapsulamento.
Utilizzando i nanotubi di carbonio incapsulati, Il team di Hersam ha progettato e fabbricato con successo array di circuiti SRAM funzionanti. Gli strati di incapsulamento non solo proteggevano il dispositivo sensibile dall'ambiente, ma hanno migliorato l'uniformità spaziale tra i singoli transistor attraverso il wafer. Mentre i circuiti integrati di Hersam hanno dimostrato una lunga durata, i transistor che sono stati depositati dalla stessa soluzione ma non rivestiti si sono degradati in poche ore.
"Dopo aver realizzato i dispositivi, possiamo lasciarli all'aria senza ulteriori precauzioni, "Hersam ha detto. "Non abbiamo bisogno di metterli in una camera a vuoto o in un ambiente controllato. Altri ricercatori hanno realizzato dispositivi simili ma hanno subito dovuto metterli in una camera a vuoto o in un ambiente inerte per mantenerli stabili. Ovviamente non funzionerà in una situazione del mondo reale".
Hersam immagina che la sua soluzione elaborata, SRAM air-stable potrebbe essere utilizzato nelle tecnologie emergenti. I transistor flessibili basati su nanotubi di carbonio potrebbero sostituire il silicio rigido per consentire l'elettronica indossabile. Il metodo di produzione più economico apre anche le porte alle smart card, carte di credito integrate con informazioni personali per ridurre la probabilità di frode.
"Le smart card sono realistiche solo se possono essere realizzate utilizzando una produzione a costi estremamente bassi, " ha detto. "Poiché i nostri nanotubi di carbonio elaborati in soluzione sono compatibili con metodi di stampa scalabili ed economici, i nostri risultati potrebbero consentire le smart card e le relative applicazioni elettroniche stampate".
