Les ingénieurs d'UW-Madison utilisent un processus de solution pour déposer des matrices alignées de nanotubes de carbone sur des substrats de 1 pouce sur 1 pouce. Les chercheurs ont utilisé leur processus de dépôt évolutif et rapide pour recouvrir toute la surface de ce substrat de nanotubes de carbone alignés en moins de 5 minutes. La percée de l'équipe pourrait ouvrir la voie aux transistors à nanotubes de carbone pour remplacer les transistors au silicium, et est particulièrement prometteur pour les technologies de communication sans fil. Crédit :Stéphanie Précourt
Depuis des décennies, les scientifiques ont essayé d'exploiter les propriétés uniques des nanotubes de carbone pour créer des composants électroniques haute performance qui sont plus rapides ou consomment moins d'énergie, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie, une communication sans fil plus rapide et des vitesses de traitement plus rapides pour les appareils tels que les smartphones et les ordinateurs portables.
Mais un certain nombre de défis ont entravé le développement de transistors haute performance en nanotubes de carbone, de minuscules cylindres en carbone d'un atome d'épaisseur seulement. Par conséquent, leurs performances sont loin derrière celles des semi-conducteurs tels que le silicium et l'arséniure de gallium utilisés dans les puces informatiques et l'électronique personnelle.
Maintenant, pour la première fois, Les ingénieurs en matériaux de l'Université du Wisconsin-Madison ont créé des transistors à nanotubes de carbone qui surpassent les transistors au silicium de pointe.
Dirigé par Michael Arnold et Padma Gopalan, UW-Madison professeurs de science et d'ingénierie des matériaux, les transistors à nanotubes de carbone de l'équipe ont atteint un courant 1,9 fois supérieur à celui des transistors au silicium. Les chercheurs ont fait état de leur avancée dans un article publié vendredi 2 septembre dans la revue Avancées scientifiques .
"Cette réalisation a été un rêve de la nanotechnologie au cours des 20 dernières années, " dit Arnold. " La fabrication de transistors à nanotubes de carbone qui sont meilleurs que les transistors au silicium est une étape importante. Cette percée dans les performances des transistors à nanotubes de carbone est une avancée critique vers l'exploitation logique des nanotubes de carbone, communications à haut débit, et d'autres technologies électroniques à semi-conducteurs."
Cette avancée pourrait ouvrir la voie aux transistors à nanotubes de carbone pour remplacer les transistors au silicium et continuer à offrir les gains de performances sur lesquels repose l'industrie informatique et que les consommateurs exigent. Les nouveaux transistors sont particulièrement prometteurs pour les technologies de communication sans fil qui nécessitent beaucoup de courant circulant sur une zone relativement petite.
Comme certains des meilleurs conducteurs électriques jamais découverts, les nanotubes de carbone sont depuis longtemps reconnus comme un matériau prometteur pour les transistors de nouvelle génération.
Les transistors à nanotubes de carbone devraient pouvoir fonctionner cinq fois plus vite ou utiliser cinq fois moins d'énergie que les transistors au silicium, selon des extrapolations à partir de mesures de nanotubes uniques. La dimension ultra-petite du nanotube permet de changer rapidement un signal de courant qui le traverse, ce qui pourrait conduire à des gains substantiels dans la bande passante des appareils de communication sans fil.
Mais les chercheurs ont eu du mal à isoler des nanotubes purement de carbone, qui sont cruciaux, parce que les impuretés des nanotubes métalliques agissent comme des fils de cuivre et perturbent leurs propriétés semi-conductrices, comme un court-circuit dans un appareil électronique.
L'équipe UW-Madison a utilisé des polymères pour trier sélectivement les nanotubes semi-conducteurs, obtenir une solution de nanotubes de carbone semi-conducteurs d'ultra-haute pureté.
Professeur agrégé Michael Arnold et étudiant diplômé Gerald Brady, l'auteur principal de la Avancées scientifiques papier. En fabriquant des transistors à nanotubes de carbone qui, pour la première fois, surpasser les transistors au silicium de pointe, les chercheurs ont franchi une étape importante dans la nanotechnologie. Crédit :Stéphanie Précourt
"Nous avons identifié des conditions spécifiques dans lesquelles vous pouvez vous débarrasser de presque tous les nanotubes métalliques, où nous avons moins de 0,01 pour cent de nanotubes métalliques, " dit Arnold.
Le placement et l'alignement des nanotubes sont également difficiles à contrôler.
Pour faire un bon transistor, les nanotubes doivent être alignés dans le bon ordre, avec juste le bon espacement, lorsqu'il est assemblé sur une plaquette. En 2014, les chercheurs de l'UW-Madison ont surmonté ce défi lorsqu'ils ont annoncé une technique, appelé « auto-assemblage évaporatif flottant, " qui leur donne ce contrôle.
Les nanotubes doivent établir de bons contacts électriques avec les électrodes métalliques du transistor. Parce que le polymère utilisé par les chercheurs de l'UW-Madison pour isoler les nanotubes semi-conducteurs agit également comme une couche isolante entre les nanotubes et les électrodes, l'équipe a "cuit" les réseaux de nanotubes dans un four à vide pour retirer la couche isolante. Le résultat :d'excellents contacts électriques avec les nanotubes.
Les chercheurs ont également développé un traitement qui élimine les résidus des nanotubes après leur traitement en solution.
« Dans nos recherches, nous avons montré que nous pouvons surmonter simultanément tous ces défis liés au travail avec des nanotubes, et cela nous a permis de créer ces transistors à nanotubes de carbone révolutionnaires qui surpassent les transistors au silicium et à l'arséniure de gallium, " dit Arnold.
Les chercheurs ont comparé leur transistor à nanotubes de carbone à un transistor au silicium de la même taille, la géométrie et le courant de fuite afin de faire une comparaison de pommes à pommes.
Ils continuent de travailler sur l'adaptation de leur dispositif à la géométrie utilisée dans les transistors au silicium, qui diminuent à chaque nouvelle génération. Des travaux sont également en cours pour développer des amplificateurs de fréquence radio haute performance qui pourraient être en mesure d'amplifier un signal de téléphone portable. Alors que les chercheurs ont déjà réduit leur processus d'alignement et de dépôt à des plaquettes de 1 pouce sur 1 pouce, ils travaillent à étendre le processus pour la production commerciale.
Arnold dit qu'il est passionnant d'atteindre enfin le point où les chercheurs peuvent exploiter les nanotubes pour obtenir des gains de performances dans les technologies réelles.
"Il y a eu beaucoup de battage autour des nanotubes de carbone qui n'a pas été réalisé, et cela a en quelque sorte aigri les perspectives de beaucoup de gens, " dit-il. " Mais nous pensons que le battage médiatique est mérité. Il n'a fallu que des décennies de travail pour que la science des matériaux rattrape son retard et nous permette d'exploiter efficacement ces matériaux. »
Les chercheurs ont breveté leur technologie par le biais de la Wisconsin Alumni Research Foundation.
