Dadas sus excelentes propiedades mecánicas y eléctricas, Los nanotubos de carbono son atractivos bloques de construcción para dispositivos nanoelectromecánicos de próxima generación, incluyendo sensores de alto rendimiento, dispositivos lógicos, y elementos de memoria. Sin embargo, Los desafíos de fabricación asociados con la creación de matrices bien ordenadas de nanotubos de carbono individuales y los modos de falla predominantes de los dispositivos de nanotubos han impedido cualquier uso comercial a gran escala.

Ahora, investigadores de la Universidad Northwestern, el Centro de Nanotecnologías Integradas en los Laboratorios Nacionales Sandia y Los Alamos, y la Universidad de Binghamton han encontrado una manera de mejorar drásticamente la confiabilidad de los sistemas nanoelectromecánicos basados ​​en nanotubos de carbono. Sus resultados se publican en la revista Pequeña .

"Dependiendo de su geometría, estos dispositivos tienen tendencia a quedarse cerrados, quemaduras o fracturas después de solo unos pocos ciclos, "dijo Horacio Espinosa, James N. y Nancy J. Profesores de la Escuela de Ingeniería McCormick de la Universidad Northwestern. "Esto limita significativamente cualquier aplicación práctica de tales nano dispositivos. Nuestro descubrimiento puede ser la clave para hacer avanzar los sistemas nanoelectromecánicos basados ​​en nanotubos de carbono desde demostraciones a escala de laboratorio hasta alternativas viables y atractivas para muchos de nuestros dispositivos microelectrónicos actuales".

Hasta la fecha, Los dispositivos nanoelectromecánicos basados ​​en nanotubos de carbono tienen metal de uso ubicuo, electrodos de película fina. El grupo de la Northwestern University, en colaboración con los investigadores de SANDIA, reemplazó estos electrodos con electrodos hechos de carbono similar al diamante (un material eléctricamente conductor y mecánico robusto), que suprimió la aparición del fracaso. Esto les permitió demostrar el primer ejemplo de dispositivos nanoelectromecánicos construidos a partir de CNT individuales que conmutan de manera confiable durante numerosos ciclos y aplican esta funcionalidad a elementos de memoria que almacenan estados binarios.

"Esto representa un paso significativo en la maduración de la tecnología de dispositivos basados ​​en nanotubos de carbono, "Dijo Espinosa.

El equipo utilizó un interruptor nanoelectromecánico basado en nanotubos de carbono como plataforma para estudiar los modos de falla e investigar posibles soluciones.

"Este conmutador comparte principios operativos, y por lo tanto modos de falla, con numerosos dispositivos reportados, "dijo Owen Loh, estudiante de posgrado en el laboratorio de Espinosa. "De este modo, esperamos que los resultados sean de amplia aplicación ".

Primero, el equipo llevó a cabo un estudio paramétrico del espacio de diseño de dispositivos que utilizan electrodos metálicos convencionales. Esto permitió la identificación del punto de inicio de los diversos modos de falla dentro del espacio de diseño y destacó la región altamente limitada en la que los dispositivos funcionarían de manera confiable sin fallas. Luego utilizaron modelos computacionales para explicar los mecanismos subyacentes de los modos de falla observados experimentalmente.

"Con estos modelos, podemos replicar la geometría de los dispositivos probados y, en última instancia, explicar por qué fallan, "dijo Xiaoding Wei, becario postdoctoral en el laboratorio de Espinosa.

Luego, el equipo demostró que el uso de materiales de electrodos alternativos, como el carbono similar al diamante, podría mejorar en gran medida la confiabilidad de estos dispositivos. Repitieron un estudio paramétrico similar utilizando electrodos de carbono tipo diamante en lugar de películas delgadas de metal y encontraron una mejora dramática en la robustez del dispositivo. Esto permitió un cambio confiable de los dispositivos basados ​​en nanotubos de carbono a través de numerosos ciclos, así como la aplicación al almacenamiento volátil de estados binarios "0" y "1".