Lorsque des nanoparticules de cuivre sont déposées sur des réseaux SWNT (gauche :réseau aligné; droite :réseau crossbar), les nanoparticules créent des bandes interdites dans les SWNT métalliques, ce qui diminue le courant de fuite et améliore le rapport marche/arrêt d'un transistor. Crédit :D. Asheghali, et al.
(Phys.org) — Les futurs transistors constitués de nanotubes de carbone semi-conducteurs à paroi unique (s-SWNT) ont le potentiel de fonctionner bien mieux que les transistors d'aujourd'hui. Cependant, lorsque les SWNT sont cultivés en vrac, seulement environ les deux tiers d'entre eux sont semi-conducteurs, tandis que l'autre tiers est métallique (m-SWNT). Étant donné que les m-SWNT ont une conductivité plus élevée que les s-SWNT, leur présence permet une fuite de courant à l'état bloqué d'un transistor, ce qui diminue considérablement le rapport de courant marche/arrêt du transistor et les performances globales. Dans une nouvelle étude, les scientifiques ont démontré que le simple fait de décorer les m-SWNT avec des nanoparticules d'oxyde de cuivre peut les convertir en s-SWNT, résultant en une augmentation de 205 fois du rapport de courant marche/arrêt d'un transistor.
Les chercheurs, Daria Asheghali, Pornnipa Vichchulada, et professeur agrégé Marcus D. Lay à l'Université de Géorgie à Athènes, ont publié leur article sur la conversion des m-SWNT en s-SWNT dans un récent numéro de la Journal de l'American Chemical Society .
Des études antérieures ont tenté de surmonter le problème des m-SWNT en utilisant des méthodes souvent complexes et coûteuses. Certaines approches impliquent l'utilisation de méthodes de croissance SWNT spécialisées qui sélectionnent les s-SWNT, tandis que d'autres approches impliquent un traitement de solution post-croissance pour éliminer les m-SWNT.
L'approche proposée dans la nouvelle étude pourrait fournir une solution plus simple pour obtenir de grandes quantités de s-SWNT. Après avoir cultivé les SWNT en utilisant une méthode de croissance en vrac conventionnelle, les chercheurs ont déposé des nanoparticules d'oxyde de cuivre inférieures à 10 nm sur l'ensemble des nanotubes, à la fois métalliques et semi-conducteurs. Cette seule étape convertit les m-SWNT en s-SWNT et améliore également les propriétés électriques des s-SWNT d'origine.
Lorsque les chercheurs ont incorporé ces s-SWNT décorés dans des transistors, ils ont constaté que les rapports de courant on/off des transistors augmentaient d'environ 21 à 4300, représentant une amélioration de 205 fois.
La raison pour laquelle les nanoparticules ont cet effet est la façon dont elles modifient les bandes interdites des SWNT. Étant donné qu'une bande interdite est la plage d'énergie dans un matériau où les électrons ne peuvent pas exister, généralement une large bande interdite correspond à une faible conductivité électrique, et vice versa. Typiquement, les isolants ont de grandes bandes interdites, les semi-conducteurs ont des bandes interdites plus petites, et les conducteurs ont des bandes interdites très faibles ou inexistantes.
Dans l'étude actuelle, les m-SWNT n'ont à l'origine pas de bande interdite, ce qui en fait de bons conducteurs. Bien qu'une conductivité élevée soit bonne lorsque les transistors sont à l'état passant (lorsque les électrons circulent), c'est un handicap dans l'état éteint (où les électrons ne circulent pas). Étant très conducteur, les m-SWNT fuient beaucoup de courant à l'état éteint.
Comme les chercheurs le démontrent ici, les nanoparticules d'oxyde de cuivre peuvent ouvrir une bande interdite dans les m-SWNT, ce qui restreint le passage du courant et réduit fortement le courant de fuite lorsque le transistor est à l'état bloqué. Maintenant que les m-SWNT ont une bande interdite, ce sont par définition des s-SWNT. Les nanoparticules augmentent également les bandes interdites des s-SWNT, ce qui améliore à la fois leur uniformité et leur efficacité de courant.
Les chercheurs expliquent que les nanoparticules d'oxyde de cuivre créent/augmentent ces bandes interdites en retirant la densité électronique des SWNT au point de contact. Dans un sens, les nanoparticules agissent comme de minuscules valves le long d'un fil qui augmentent la sensibilité des SWNT aux tensions de grille à certains points, changer la conductivité des SWNTs dans l'ensemble.
Bien que les chercheurs décrivent l'effet comme une conversion de SWNT métalliques en SWNT semi-conducteurs, ils précisent également que, quand il s'agit de ça, Les m-SWNT ne sont pas de vrais métaux. Au lieu, ils doivent être considérés comme des semi-métaux ou des semi-conducteurs à bande interdite nulle car les vrais métaux ne peuvent pas être rendus sensibles à la tension de grille.
Le graphène entre également dans cette catégorie de semi-métaux. Cependant, il est plus compliqué d'ouvrir une bande interdite dans le graphène car le graphène est un matériau 2D. Les chercheurs expliquent que la nature 1D des SWNT simplifie le processus de réglage de la bande interdite en permettant aux nanoparticules d'agir comme des valves sur un fil et d'arrêter localement le transport des électrons. Cette approche ne peut pas être appliquée au graphène plan en raison de sa géométrie différente.
Cette méthode relativement simple d'utilisation de nanoparticules pour convertir les m-SWNT en s-SWNT, et l'amélioration significative des performances qui en résulte, a un grand potentiel pour poursuivre le développement de transistors à base de SWNT à l'avenir, ainsi que de reporter sur d'autres domaines.
"La capacité d'ouvrir une bande interdite dans les semi-conducteurs à base de graphite comme les SWNT et le graphène aura des applications dans les capteurs et la conversion d'énergie, " Lay dit Phys.org .
Quant aux transistors à effet de champ (FET) SWNT, Lay a expliqué que d'autres défis subsistent avant qu'ils ne puissent se généraliser commercialement.
« Le plus gros problème auquel sont confrontés les FET SWNT est la pénurie de méthodes de purification et de formation de suspension qui séparent les SWNT à rapport d'aspect élevé nécessaires pour les applications structurelles et électroniques de la suie et des particules de catalyseur qui constituent environ 50 % des échantillons de SWNT avec des méthodes de croissance en vrac communes, " at-il dit. " Un autre obstacle majeur est le manque de méthodes de dépôt qui permettent de contrôler la densité et l'alignement des SWNTs. "
Lay et son groupe ont contribué de manière significative à ces deux domaines dans une autre étude récente 1 .
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