Транзисторы из углеродных нанотрубок впервые превзошли кремниевые аналоги

На протяжении десятилетий учёные пытались использовать уникальные свойства углеродных нанотрубок для создания высокоэффективной электроники. Исследователи добиваются, чтобы такая электроника работала быстрее, но потребляла меньше энергии, что продлило бы в разы жизнь аккумуляторов, привело бы к более быстрой беспроводной связи и высокой скорости обработки данных смартфонов или ноутбуков.

Но есть целый ряд сложностей, препятствующих развитию высокоэффективных транзисторов, сделанных из углеродных нанотрубок — крошечных цилиндров, стенки которых состоят из атомов углерода. Их производительность значительно отстаёт от полупроводниковой – устройств на основе кремния или арсенида галлия, используемых в компьютерных чипах и персональной электронике сегодня.

Теперь же учёным из Висконсинского университета в Мэдисоне впервые удалось создать транзисторы на углеродных нанотрубках (carbon nanotube transistors), которые превосходят по своим параметрам характеристики передовых кремниевых аналогов.

Команда учёных под руководством двух профессоров материаловедения и инженерии Майкла Арнольда (Michael Arnold) и Падмы Гопаланы (Padma Gopalan) создала транзисторы на основе углеродных нанотрубок, получив ток в 1,9 раза выше, чем в кремниевых транзисторах.

"Это достижение было мечтой исследователей нанотехнологий в течение последних 20 лет. Изготовление транзисторов из углеродных нанотрубок, которые по своим параметрам лучше кремниевых транзисторов – большой шаг вперёд", — говорит Арнольд.

Достижение, по мнению исследователей, проложит путь транзисторам на основе углеродных нанотрубок, заменяющих кремниевые аналоги. Новые устройства являются особенно перспективными для беспроводных коммуникационных технологий.

Углеродные нанотрубки уже давно признаны одними из лучших проводников электричества, поэтому считаются перспективным материалом для следующего поколения транзисторов. Такие транзисторы (теоретически) должны работать в пять раз быстрее, а потреблять энергии в пять раз меньше, чем кремниевые. Ультрамаленький размер нанотрубки позволяет быстро менять направление тока, движущегося по ней, что может привести к существенному увеличению пропускной способности устройств беспроводной связи.

Однако учёные разных стран должны были решить проблему очистки углеродных нанотрубок от металлических, которые образуются в качестве нежелательной примеси. Это важно, поскольку металлические нанотрубки действуют как медные провода и, присутствуя в общей куче, лишают углеродные нанотрубки их полупроводниковых свойств. Из-за них происходят своего рода короткие замыкания.

Исследовательская группа из Висконсинского университета в Мэдисоне использовала определённые полимерные материалы для того, чтобы отделить полупроводниковые нанотрубки от остальных и получить раствор ультравысокой чистоты.

"Мы определили конкретные условия, в которых можно избавиться от почти всех металлических нанотрубок. В результате мы получили менее 0,01 процента металлических нанотрубок", — говорит Арнольд.

Отметим, что для создания хорошего транзистора, все нанотрубки должны быть выровнены в одном направлении и с одним интервалом. В 2014 году исследователи из Висконсинского университета справились с этой задачей при помощи разработанного ими метода самосборки.

Также нанотрубки должны иметь хороший электрический контакт с металлическими электродами транзисторов. Полимер, использованный учёными для изоляции полупроводниковых нанотрубок, действует как изолирующий слой между нанотрубками и электродами, поэтому учёные "испекли" массивы нанотрубок в вакуумной печи для удаления этого изоляционного слоя. Результат превзошёл все ожидания — между нанотрубками и электродами образовался отличный электрический контакт.

"В наших исследованиях мы показали, что можно одновременно решить все проблемы, связанные с нанотрубками. Достижения позволили создать новаторские транзисторы из углеродных нанотрубок, которые превосходят другие аналоги", — добавляет Арнольд.

Исследование описано в научном журнале Science Advances. Сейчас американские инженеры работают над уменьшением своих транзисторов (для того чтобы их можно было использовать в промышленности и, соответственно, коммерциализовать запатентованную технологию).

Добавим, что ранее "Вести.Наука" писали о том, как транзистору на основе всего одной углеродной нанотрубки удалось положить на лопатки своего кремниевого собрата.