Des chercheurs de l'Université du Texas à Austin et de l'Université Northwestern ont démontré une nouvelle méthode pour améliorer la fiabilité et les performances des transistors et circuits à base de nanotubes de carbone (CNT), un matériau semi-conducteur qui a longtemps été considéré par les scientifiques comme l'un des successeurs les plus prometteurs du silicium pour les plus petits, appareils électroniques plus rapides et moins chers. Le résultat apparaît dans un nouvel article publié dans la revue Lettres de physique appliquée , des éditions AIP.

Dans le journal, les chercheurs ont examiné l'effet d'un revêtement en polymère fluoré appelé PVDF-TrFE sur des transistors à nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) et des circuits d'oscillateur en anneau, et a démontré que ces revêtements peuvent considérablement améliorer les performances des dispositifs à nanotubes de carbone à paroi unique. Le PVDF-TrFE est également connu sous son long nom chimique polyvinyledènedifluorure-tétrafluoroéthylène.

« Nous attribuons les améliorations à la nature polaire du PVDF-TrFE qui atténue l'effet négatif des impuretés et des défauts sur les performances des nanotubes de carbone à simple paroi semi-conducteurs, " dit Ananth Dodabalapur, un professeur à la Cockrell School of Engineering de l'UT Austin qui a dirigé la recherche. "L'utilisation de couches de coiffage [PVDF-TrFE] sera grandement bénéfique pour l'adoption de circuits de nanotubes de carbone à paroi unique dans les applications d'électronique imprimée et d'affichage flexible."

Le travail a été effectué en collaboration entre le groupe de Dodabalapur à l'UT Austin et le groupe de Mark Hersam à la Northwestern University dans le cadre d'une initiative de recherche multi-universitaire (MURI) soutenue par l'Office of Naval Research.

Un successeur potentiel des puces de silicium

Les nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT) sont à peu près les tubes les plus minces qui peuvent être forgés à partir de la nature. Ce sont des cylindres formés en enroulant un matériau appelé graphène, qui est un appartement, couche de graphite de carbone d'une épaisseur d'un seul atome. La plupart des nanotubes de carbone monoparoi ont typiquement un diamètre proche de 1 nanomètre et peuvent être torsadés, aplati et plié en petits cercles ou autour de virages serrés sans se casser. Ces filaments de carbone ultra-fins ont une grande mobilité, haute transparence et conductivité électrique, ce qui les rend idéaux pour effectuer des tâches électroniques et fabriquer des dispositifs électroniques flexibles comme des transistors à couche mince, les interrupteurs marche-arrêt au cœur des systèmes électroniques numériques.

« Les transistors à effet de champ (FET) à nanotubes de carbone à paroi simple ont des caractéristiques similaires à celles des FET en silicium polycristallin, un transistor en silicium à couche mince actuellement utilisé pour piloter les pixels dans les écrans électroluminescents organiques (OLED), " a déclaré Mark Hersam, Le collègue de Dodabalapur et professeur à la McCormick School of Engineering and Applied Science de la Northwestern University. "Mais les nanotubes de carbone à paroi simple sont plus avantageux que le silicium polycristallin en ce qu'ils sont traitables en solution ou imprimables, ce qui pourrait potentiellement réduire les coûts de fabrication.

La flexibilité mécanique des nanotubes de carbone monoparoi devrait également leur permettre d'être intégrés dans des applications émergentes telles que l'électronique flexible et l'électronique portable, il a dit.

Pendant des années, les scientifiques ont expérimenté des dispositifs à nanotubes de carbone comme successeurs des dispositifs au silicium, comme le silicium pourrait bientôt atteindre sa limite physique en fournissant de plus en plus petit, appareils électroniques plus rapides et moins chers. Bien que les circuits fabriqués avec des nanotubes de carbone à paroi simple devraient être plus économes en énergie que ceux en silicium à l'avenir, leurs inconvénients dans les transistors à effet de champ, tels que la dissipation de puissance élevée et moins de stabilité, limitent actuellement leurs applications en électronique imprimée, selon Dodabalapur.

Une nouvelle technique pour améliorer les performances des appareils SWCNT

Pour pallier les inconvénients des transistors à effet de champ à nanotubes de carbone monoparoi et améliorer leurs performances, les chercheurs ont déposé du PVDF-TrFE sur le dessus de transistors à nanotubes de carbone à simple paroi auto-fabriqués par impression jet d'encre, un petit prix, procédé de dépôt basé sur une solution avec une bonne résolution spatiale. Le film revêtu de fluoropolymère a ensuite été recuit ou chauffé à l'air à 140 degrés Celsius pendant trois minutes. Plus tard, les chercheurs ont observé les différences de caractéristiques de l'appareil.

« Nous avons constaté des améliorations substantielles des performances avec le nanotube de carbone à paroi unique revêtu de fluoropolymère à la fois au niveau de l'appareil et au niveau du circuit, " a noté Dodabalapur.

Au niveau de l'appareil, des diminutions significatives se produisent dans les paramètres clés tels que l'amplitude du courant de coupure, degré d'hystérésis, variation de la tension de seuil et dégradation de la contrainte de polarisation, lequel, Dodabalapur a dit, signifie un type de plus économe en énergie, transistors stables et uniformes avec une durée de vie plus longue.

Au niveau du circuit, puisqu'un transistor est le composant le plus basique des circuits numériques, l'uniformité améliorée des caractéristiques de l'appareil, plus les effets bénéfiques des transistors individuels aboutissent finalement à une amélioration des performances d'un circuit oscillateur en anneau complémentaire à cinq étages, l'un des circuits numériques les plus simples.

« La fréquence et l'amplitude d'oscillation [du circuit oscillateur en anneau de nanotubes de carbone à paroi unique] ont augmenté respectivement de 42 % et de 250 %, " a déclaré Dodabalapur. Les paramètres indiquent un circuit plus rapide et plus performant avec une consommation d'énergie éventuellement réduite.

Dodabalapur et ses collègues ont attribué les améliorations à la nature polaire du PVDF-TrFE.

"Avant que les transistors à effet de champ à nanotubes de carbone à paroi simple ne soient fabriqués par impression à jet d'encre, ils ont été dispersés dans un solvant organique pour fabriquer une encre imprimable. Après le processus de fabrication, il pourrait rester des produits chimiques résiduels [sur l'appareil], provoquant une concentration d'impuretés de fond, " Dodabalapur a expliqué. "Ces impuretés peuvent agir comme des défauts chargés qui piègent les porteurs de charge dans les semi-conducteurs et réduisent la mobilité des porteurs, ce qui pourrait éventuellement détériorer les performances des transistors."

Le PVDF-TrFE est une molécule polaire dont les charges négatives et positives sont séparées à différentes extrémités de la molécule, dit Dodabalapur. Les deux extrémités chargées forment une liaison électrique, ou dipôle, entre. Après le processus de recuit, les dipôles des molécules PVDF-TrFE adoptent uniformément une orientation stable qui tend à annuler les effets des impuretés chargées dans les transistors à effet de champ à nanotubes de carbone monoparoi, ce qui a facilité le flux de porteurs dans le semi-conducteur et amélioré les performances du dispositif.

Pour confirmer leur hypothèse, Dodabalapur et ses collègues ont réalisé des expériences comparant les effets des vapeurs polaires et non polaires sur des transistors à effet de champ à nanotubes de carbone à paroi unique. Les résultats appuient leur hypothèse.

L'étape suivante, Dodabalapur a dit, est de mettre en œuvre des circuits plus complexes avec des transistors à effet de champ à nanotubes de carbone monoparoi.