Транзистори з вуглецевих нанотрубок вперше обійшли кремнієві

Фізики з Університету Вісконсину створили транзистор з вуглецевих нанотрубок, який вперше обійшов за своїми характеристиками сучасні кремнієві транзистори. Те, що вуглецеві нанотрубки мають кращі характеристики, ніж традиційні напівпровідникові матеріали, було відомо давно, проте лише зараз вченим вдалося обійти всі технологічні складності і нарешті створити досить ефективний пристрій. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє прес-реліз університету.

Вуглецеві нанотрубки - це циліндри, стінки яких складаються з одноатомного шару вуглецю. Вони відомі завдяки своїм незвичайним електричним і механічним властивостям. Наприклад, їх навіть пропонували використовувати як матеріал для космічного ліфта - троса від земної поверхні до геостаціонарної орбіти. До того ж нанотрубки мають високу електропровідність і величину критичного струму (у тисячі разів більше, ніж у міді). Рухливість зарядів у матеріалі набагато більша, ніж у кремнії, що, за словами вчених, може забезпечити створення в п'ять разів більш ефективних (або більш швидких) напівпровідникових приладів.

Цікаво, що в залежності від розташування атомів вуглецеві нанотрубки можуть мати різні властивості. Можна уявити, що для того, щоб отримати нанотрубку, ми згортаємо вуглецевий лист. Згортаючи його не паралельно краям, а під кутом, ми отримаємо нанотрубку, в якій ряди атомів вуглецю впорядковані по спіралі. При деяких нахилах «згортання» нанотрубки поводяться як півметали, при інших - як напівпровідники.

Для створення транзисторів необхідно використовувати тільки напівпровідникові нанотрубки, оскільки металеві включення забезпечуватимуть пробій і порушення роботи приладів. Крім того, оскільки нанотрубки можуть проводити електрони лише вздовж одного напрямку, всередині транзистора вони повинні розташовуватися впорядковано. Через це перші напівпровідникові прилади з нанотрубок мали дуже низьку ефективність - на порядки гірше очікуваної. Наблизитися до необхідних параметрів вдалося лише в пристроях з одиночною нанотрубкою.

У новій роботі фізики об'єднали напрацювання за методами поділу нанотрубок, формування їх упорядкованих шарів і підключення до електричних контактів. Наприклад, для відділення напівпровідникової компоненти від металевої, вчені використовували спеціально розроблений «скотч». Для впорядкування паралельних рядів нанотрубок на підкладці вчені використовували техніку самозбірки з розчину. В результаті матеріалознавцям вдалося створити тонкий шар, в одному мікрометрі ширини якого вміщалося 47 нанотрубок.

Вчені випробували електричні властивості польових транзисторів, зокрема, оцінивши в них щільність струму насичення. Вона виявилася рівною 900 мікроамперам на мікрометр, що, за словами авторів, можна порівняти і навіть перевершувати сучасні пристрої на основі кремнію і арсеніду галію (з аналогічними розмірами). Ця величина пов'язана з рухливістю зарядів і впливає на швидкість роботи транзисторів.

Одним із застосувань пристроїв на основі вуглецевих нанотрубок і, можливо, графена може стати гнучка електроніка. Зараз технології повністю гнучких плат засновані на проведених полімерах. Рухливість зарядів, а значить і швидкодія в них, набагато менше, ніж у кремнію та інших напівпровідників, що використовуються в «твердій» електроніці. Використання вуглецевих нанотрубок може допомогти зробити гнучку електроніку швидшою.

Нещодавно фізики з Університету Райса розповіли про незвичайний експеримент із самозбіркою вуглецевих нанотрубок. Виявляється, вони можуть об'єднуватися в протяжні дроти під дією електромагнітних полів трансформатора Тесли.