Compte tenu de leurs propriétés mécaniques et électriques exceptionnelles, les nanotubes de carbone sont des éléments constitutifs attrayants pour les dispositifs nanoélectromécaniques de nouvelle génération, y compris des capteurs haute performance, dispositifs logiques, et des éléments de mémoire. Cependant, les défis de fabrication associés à la création de réseaux bien ordonnés de nanotubes de carbone individuels et les modes de défaillance courants des dispositifs à nanotubes ont empêché toute utilisation commerciale à grande échelle.

Maintenant, chercheurs de l'Université Northwestern, le Center for Integrated Nanotechnologies des laboratoires nationaux Sandia et Los Alamos, et l'Université de Binghamton ont trouvé un moyen d'améliorer considérablement la fiabilité des systèmes nanoélectromécaniques à base de nanotubes de carbone. Leurs résultats sont publiés dans la revue Petit .

"Selon leur géométrie, ces appareils ont tendance à rester fermés, brûlure ou fracture après seulement quelques cycles, " dit Horacio Espinosa, James N. et Nancy J. Professeur à la McCormick School of Engineering de la Northwestern University. "Cela limite considérablement toute application pratique de ces nanodispositifs. Notre découverte peut être une clé pour faire progresser les systèmes nanoélectromécaniques à base de nanotubes de carbone, des démonstrations à l'échelle du laboratoire à des alternatives viables et attrayantes à bon nombre de nos dispositifs microélectroniques actuels."

À ce jour, les dispositifs nanoélectromécaniques à base de nanotubes de carbone ont utilisé de manière omniprésente du métal, électrodes à couche mince. Le groupe de la Northwestern University, en collaboration avec les enquêteurs de SANDIA, a remplacé ces électrodes par des électrodes en carbone de type diamant (un matériau électriquement conducteur et mécaniquement robuste), qui a supprimé le début de l'échec. Cela leur a permis de démontrer le premier exemple de dispositifs nanoélectromécaniques construits à partir de CNT individuels commutant de manière fiable sur de nombreux cycles et d'appliquer cette fonctionnalité aux éléments de mémoire qui stockent des états binaires.

« Cela représente une étape importante dans la maturation de la technologie des dispositifs à base de nanotubes de carbone, " a déclaré Espinosa.

L'équipe a utilisé un commutateur nanoélectromécanique à base de nanotubes de carbone comme plate-forme pour étudier les modes de défaillance et rechercher des solutions potentielles.

"Ce commutateur partage des principes de fonctionnement, et donc les modes de défaillance, avec de nombreux appareils signalés, " dit Owen Loh, un étudiant diplômé du laboratoire d'Espinosa. "De cette façon, nous espérons que les résultats seront largement applicables."

D'abord, l'équipe a mené une étude paramétrique de l'espace de conception de dispositifs utilisant des électrodes métalliques conventionnelles. Cela a permis d'identifier le point d'apparition des différents modes de défaillance dans l'espace de conception et a mis en évidence la région très limitée dans laquelle les dispositifs fonctionneraient de manière fiable sans défaillance. Ils ont ensuite utilisé des modèles informatiques pour expliquer les mécanismes sous-jacents des modes de défaillance observés expérimentalement.

"En utilisant ces modèles, nous pouvons reproduire la géométrie des appareils testés et finalement expliquer pourquoi ils échouent, " dit Xiaoding Wei, un post-doctorant dans le laboratoire d'Espinosa.

L'équipe a ensuite démontré que l'utilisation de matériaux d'électrode alternatifs comme le carbone de type diamant pourrait grandement améliorer la fiabilité de ces dispositifs. Ils ont répété une étude paramétrique similaire en utilisant des électrodes de carbone de type diamant plutôt que des films minces métalliques et ont constaté une amélioration spectaculaire de la robustesse du dispositif. Cela a permis une commutation fiable des dispositifs à base de nanotubes de carbone à travers de nombreux cycles, ainsi que l'application au stockage volatile des états binaires "0" et "1".