Per decenni, gli scienziati hanno cercato di sfruttare le proprietà uniche dei nanotubi di carbonio per creare componenti elettronici ad alte prestazioni che sono più veloci o consumano meno energia, con conseguente maggiore durata della batteria, comunicazioni wireless più veloci e velocità di elaborazione più elevate per dispositivi come smartphone e laptop.

Ma una serie di sfide hanno impedito lo sviluppo di transistor ad alte prestazioni realizzati con nanotubi di carbonio, minuscoli cilindri di carbonio dello spessore di un solo atomo. Di conseguenza, le loro prestazioni sono rimaste molto indietro rispetto ai semiconduttori come silicio e arseniuro di gallio utilizzati nei chip dei computer e nell'elettronica personale.

Ora, per la prima volta, Gli ingegneri dei materiali dell'Università del Wisconsin-Madison hanno creato transistor a nanotubi di carbonio che superano le prestazioni dei transistor al silicio all'avanguardia.

Guidati da Michael Arnold e Padma Gopalan, Professori UW-Madison di scienza e ingegneria dei materiali, i transistor a nanotubi di carbonio del team hanno raggiunto una corrente 1,9 volte superiore a quella dei transistor al silicio. I ricercatori hanno riportato il loro progresso in un articolo pubblicato venerdì (2 settembre) sulla rivista Progressi scientifici .

"Questo risultato è stato un sogno della nanotecnologia negli ultimi 20 anni, " dice Arnold. "Realizzare transistor a nanotubi di carbonio che siano migliori dei transistor al silicio è una pietra miliare. Questa svolta nelle prestazioni dei transistor a nanotubi di carbonio è un progresso fondamentale verso lo sfruttamento dei nanotubi di carbonio nella logica, comunicazioni ad alta velocità, e altre tecnologie di elettronica dei semiconduttori."

Questo progresso potrebbe aprire la strada ai transistor a nanotubi di carbonio per sostituire i transistor al silicio e continuare a fornire i miglioramenti delle prestazioni su cui si basa l'industria dei computer e che i consumatori richiedono. I nuovi transistor sono particolarmente promettenti per le tecnologie di comunicazione wireless che richiedono molta corrente in un'area relativamente piccola.

Come alcuni dei migliori conduttori elettrici mai scoperti, i nanotubi di carbonio sono stati a lungo riconosciuti come un materiale promettente per i transistor di prossima generazione.

I transistor a nanotubi di carbonio dovrebbero essere in grado di funzionare cinque volte più velocemente o utilizzare cinque volte meno energia rispetto ai transistor al silicio, secondo estrapolazioni da misurazioni di singoli nanotubi. La dimensione ultra piccola del nanotubo consente di modificare rapidamente un segnale di corrente che lo attraversa, che potrebbe portare a sostanziali guadagni nella larghezza di banda dei dispositivi di comunicazione senza fili.

Ma i ricercatori hanno lottato per isolare i nanotubi di carbonio puro, che sono cruciali, perché le impurità dei nanotubi metallici agiscono come fili di rame e interrompono le loro proprietà semiconduttive, come un cortocircuito in un dispositivo elettronico.

Il team di UW-Madison ha utilizzato polimeri per selezionare selettivamente i nanotubi semiconduttori, raggiungimento di una soluzione di nanotubi di carbonio semiconduttori ad altissima purezza.

"Abbiamo identificato condizioni specifiche in cui è possibile eliminare quasi tutti i nanotubi metallici, dove abbiamo meno dello 0,01% di nanotubi metallici, "dice Arnoldo.

Anche il posizionamento e l'allineamento dei nanotubi è difficile da controllare.

Per fare un buon transistor, i nanotubi devono essere allineati nel giusto ordine, con la giusta distanza, quando assemblato su un wafer. Nel 2014, i ricercatori di UW-Madison hanno vinto questa sfida quando hanno annunciato una tecnica, chiamato "autoassemblaggio evaporativo galleggiante, " che dà loro questo controllo.

I nanotubi devono stabilire buoni contatti elettrici con gli elettrodi metallici del transistor. Poiché il polimero utilizzato dai ricercatori dell'UW-Madison per isolare i nanotubi semiconduttori agisce anche come uno strato isolante tra i nanotubi e gli elettrodi, il team ha "cotto" gli array di nanotubi in un forno a vuoto per rimuovere lo strato isolante. Il risultato:ottimi contatti elettrici con i nanotubi.

I ricercatori hanno anche sviluppato un trattamento che rimuove i residui dai nanotubi dopo che sono stati elaborati in soluzione.

"Nella nostra ricerca, abbiamo dimostrato che possiamo superare contemporaneamente tutte queste sfide legate al lavoro con i nanotubi, e questo ci ha permesso di creare questi rivoluzionari transistor a nanotubi di carbonio che superano i transistor al silicio e all'arseniuro di gallio, "dice Arnoldo.

I ricercatori hanno confrontato il loro transistor a nanotubi di carbonio con un transistor al silicio delle stesse dimensioni, geometria e corrente di dispersione per fare un confronto mele-mele.

Stanno continuando a lavorare per adattare il loro dispositivo in modo che corrisponda alla geometria utilizzata nei transistor al silicio, che si rimpiccioliscono ad ogni nuova generazione. Sono inoltre in corso lavori per sviluppare amplificatori a radiofrequenza ad alte prestazioni che potrebbero essere in grado di aumentare il segnale di un cellulare. Mentre i ricercatori hanno già ridimensionato il loro processo di allineamento e deposizione a wafer da 1 pollice per 1 pollice, stanno lavorando per ampliare il processo per la produzione commerciale.

Arnold afferma che è emozionante raggiungere finalmente il punto in cui i ricercatori possono sfruttare i nanotubi per ottenere miglioramenti delle prestazioni nelle tecnologie attuali.

"C'è stato molto clamore sui nanotubi di carbonio che non è stato realizzato, e questo ha in qualche modo inasprito la prospettiva di molte persone, "dice. "Ma pensiamo che l'hype sia meritato. Ci sono voluti decenni di lavoro perché la scienza dei materiali si mettesse al passo e ci permettesse di sfruttare efficacemente questi materiali".

I ricercatori hanno brevettato la loro tecnologia attraverso la Wisconsin Alumni Research Foundation.