(a) L'assemblage d'un corps dense, réseau de nanotubes à couverture complète, et (b) des images microscopiques des nanotubes alignés. L'étude rapproche les nanotubes de carbone du remplacement du silicium dans les appareils électroniques. Légende de l'image :Qing Cao, et al. ©2013 Macmillan Publishers Limited
(Phys.org) — Les nanotubes de carbone à paroi simple pourraient un jour remplacer le silicium dans l'électronique, mais pour ce faire, les nanotubes doivent être alignés en réseaux denses pour des performances optimales. Jusque là, la densité de nanotubes la plus élevée est inférieure à 50 tubes/μm, mais dans une nouvelle étude, des chercheurs ont battu ce record en atteignant une densité de plus de 500 tubes/μm. La densité plus élevée conduit à de meilleures performances, rapprocher les nanotubes de leur rôle dans les technologies post-silicium.
Les chercheurs, Qing Cao à l'IBM T.J. Centre de recherche Watson à Yorktown Heights, New York, et co-auteurs, ont publié leur étude sur les réseaux denses de nanotubes de carbone dans un récent numéro de Nature Nanotechnologie .
Comme l'ont expliqué les chercheurs, l'électronique à base de nanotubes de carbone avec les meilleures propriétés électriques devrait avoir des nanotubes purement semi-conducteurs, qui sont bien alignés, et qui forment des réseaux avec une densité la plus élevée possible, jusqu'à recouvrir tout le substrat.
Pour répondre à ces exigences, les chercheurs ont utilisé une technique de fabrication appelée méthode de Langmuir-Schaefer, qui consiste à disperser des nanotubes semi-conducteurs pré-enrichis sur une surface d'eau. Les nanotubes flottants s'étalent pour couvrir toute la surface en raison de la tension superficielle. L'application d'une force de compression assemble les nanotubes en réseaux bien ordonnés, et la compression est arrêtée lorsque le film de nanotubes devient incompressible, ce qui indique que les réseaux de nanotubes ont couvert toute la surface. Les réseaux de nanotubes résultants ont une pureté semi-conductrice de 99 % et sont alignés à 17° l'un de l'autre.
Comme l'expliquent les chercheurs, la plus grande amélioration vient de la densité accrue. Alors que les matrices précédentes avec des densités inférieures à 50 tubes/μm de densité couvrent environ 10 % d'une surface, la nouvelle matrice avec une densité de 500 tubes/μm peut couvrir presque 100 % d'une surface. Les images d'un microscope électronique à effet tunnel révèlent en outre qu'une surface avec des nanotubes emballés dans une double couche a une densité de tube estimée aussi élevée que 1, 100 tubes/µm.
La densité accrue offre des améliorations substantielles des propriétés des dispositifs électroniques construits avec des nanotubes. Par exemple, l'électronique à couche mince à faible coût pourrait être construite sur des nanotubes de carbone et réaliser de nouvelles applications telles que le jetable économiquement, flexible mécaniquement, et/ou des dispositifs électroniques optiquement transparents. La plupart des transistors à couche mince de nanotubes de carbone rapportés jusqu'à présent ont été construits avec des densités de matrice ou de réseau de 6 à 10 tubes/μm. Cette couverture surfacique limitée se traduit par une capacité de grille par zone environ 10 fois inférieure à celle des transistors à couches minces classiques construits sur des matériaux comme le silicium amorphe ou les semi-conducteurs à oxyde, ce qui diminue la vitesse de fonctionnement et augmente la résistance de sortie. D'autre part, les transistors construits avec les réseaux de nanotubes à haute densité peuvent complètement surmonter cette limitation, conduisant à une performance de l'appareil considérablement améliorée.
Les chercheurs s'attendent également à ce que les nanotubes de carbone remplacent le silicium à la fin de la feuille de route de mise à l'échelle actuelle pour étendre davantage la loi de Moore. Pour des applications aussi performantes, une densité de tube élevée est nécessaire pour obtenir une densité de sortie de courant élevée, ce qui permet une vitesse de fonctionnement plus rapide et une densité d'emballage de périphérique plus élevée. Par rapport aux meilleurs résultats précédents obtenus sur des appareils construits avec une densité de matrice de 4 tubes/μm, les nano-transistors à l'échelle construits avec les matrices haute densité démontrent des performances plusieurs fois supérieures, avec la transconductance et la densité de courant les plus élevées à ce jour pour les transistors à nanotubes ainsi qu'un rapport marche/arrêt élevé d'environ 10 3 .
Les chercheurs ici prédisent que les propriétés électriques des réseaux de nanotubes à haute densité peuvent être encore améliorées en apportant plusieurs modifications, telles que l'amélioration du contact électrique entre les réseaux de nanotubes et les électrodes métalliques, en utilisant de meilleures techniques de séparation des nanotubes, et l'amélioration de la cohérence des appareils. À l'avenir, les chercheurs disent que les principaux défis résideront dans l'exigence d'un contrôle technique extrême plutôt que dans les limites intrinsèques des nanotubes eux-mêmes.
« Pour les applications logiques hautes performances. Actuellement, notre objectif est de remplacer le silicium par des nanotubes de carbone à un nœud technologique de 5 nm en 2022-2023, " Cao a dit Phys.org . "Des améliorations significatives ont été obtenues, surtout dans l'aspect matériel, au cours des cinq dernières années. Nous pouvons maintenant séparer les nanotubes semi-conducteurs et métalliques d'une pureté supérieure à 99%, et assembler des nanotubes à haute densité. Une amélioration supplémentaire pour atteindre une pureté de 99,99 % et réduire les défauts présents lors de l'assemblage est plus ou moins un défi de contrôle technique.
"À la fois, plus de travail doit être fait pour améliorer encore l'appareil, surtout à cette dimension extrêmement réduite. Par exemple, la résistance de contact de l'appareil doit être réduite avec la restriction de la longueur de contact limitée. Un processus d'auto-alignement pour fabriquer des transistors à nanotubes inférieurs à 10 nm doit être mis en place pour minimiser la capacité parasite. Pour l'électronique à couche mince, À mon avis, les nanotubes de carbone sont presque prêts à concurrencer les autres technologies du marché. Des améliorations supplémentaires sont encore nécessaires en termes de fiabilité et d'uniformité des appareils, mais le défi majeur est de trouver l'application de niche appropriée."
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