(a) El ensamblaje de un denso, matriz de nanotubos de cobertura total, y (b) imágenes microscópicas de los nanotubos alineados. El estudio acerca a los nanotubos de carbono a reemplazar el silicio en los dispositivos electrónicos. Pie de imagen:Qing Cao, et al. © 2013 Macmillan Publishers Limited
(Phys.org) —Los nanotubos de carbono de pared simple pueden algún día reemplazar el silicio en la electrónica, pero para hacerlo, los nanotubos deben alinearse en matrices densas para un rendimiento óptimo. Hasta aquí, la densidad de nanotubos más alta es inferior a 50 tubos / μm, pero en un nuevo estudio, los investigadores han batido este récord al lograr una densidad de más de 500 tubos / μm. La mayor densidad conduce a un mejor rendimiento, acercando a los nanotubos a desempeñar un papel en las tecnologías posteriores al silicio.
Los investigadores, Qing Cao en el IBM T.J. Centro de Investigación Watson en Yorktown Heights, Nueva York, y coautores, han publicado su estudio sobre las densas matrices de nanotubos de carbono en un número reciente de Nanotecnología de la naturaleza .
Como explicaron los investigadores, La electrónica basada en nanotubos de carbono con las mejores propiedades eléctricas debería tener nanotubos que sean puramente semiconductores. que están bien alineados, y que formen matrices con una densidad lo más alta posible, hasta cubrir todo el sustrato.
Para cumplir con estos requisitos, los investigadores utilizaron una técnica de fabricación llamada método Langmuir-Schaefer, que implica la dispersión de nanotubos semiconductores preenriquecidos en una superficie de agua. Los nanotubos flotantes se extienden para cubrir toda la superficie como resultado de la tensión superficial. La aplicación de una fuerza de compresión ensambla los nanotubos en matrices bien ordenadas, y la compresión se detiene cuando la película de nanotubos se vuelve incompresible, lo que indica que las matrices de nanotubos han cubierto toda la superficie. Las matrices de nanotubos resultantes tienen una pureza semiconductora del 99% y están alineadas a 17 ° entre sí.
Como explican los investigadores, la mayor mejora proviene del aumento de densidad. Mientras que las matrices anteriores con densidades inferiores a 50 tubos / μm de densidad cubren aproximadamente el 10% de una superficie, la nueva matriz con una densidad de 500 tubos / μm puede cubrir casi el 100% de una superficie. Las imágenes de un microscopio electrónico de efecto túnel revelan además que una superficie con nanotubos empaquetados en una doble capa tiene una densidad de tubo estimada de hasta 1, 100 tubos / μm.
El aumento de densidad proporciona mejoras sustanciales en las propiedades de los dispositivos electrónicos construidos con nanotubos. Por ejemplo, La electrónica de película delgada de bajo costo podría construirse sobre nanotubos de carbono y realizar aplicaciones novedosas como desechables económicos, mecánicamente flexible, y / o dispositivos electrónicos ópticamente transparentes. La mayoría de los transistores de película fina de nanotubos de carbono informados hasta ahora se han construido con densidades de red o de matriz de 6-10 tubos / μm. Esta cobertura de superficie limitada da como resultado una capacitancia de puerta por área que es aproximadamente 10 veces menor que la de los transistores de película delgada convencionales construidos con materiales como semiconductores de óxido o silicio amorfo. lo que disminuye la velocidad de funcionamiento y aumenta la resistencia de salida. Por otra parte, Los transistores construidos con las matrices de nanotubos de alta densidad pueden superar completamente esta limitación, lo que lleva a un rendimiento del dispositivo significativamente mejorado.
Los investigadores también esperan que los nanotubos de carbono reemplacen al silicio al final de la hoja de ruta de escala actual para extender aún más la ley de Moore. Para aplicaciones de tan alto rendimiento, se requiere una alta densidad de tubo para lograr una alta densidad de salida de corriente, lo que permite una velocidad de operación más rápida y una mayor densidad de empaque del dispositivo. En comparación con los mejores resultados anteriores obtenidos en dispositivos construidos con una densidad de matriz de 4 tubos / μm, Los nanotransistores escalados construidos con las matrices de alta densidad demuestran un rendimiento varias veces mejor, con la mayor transconductancia y densidad de corriente reportada hasta ahora para transistores de nanotubos junto con una alta relación de encendido / apagado de aproximadamente 10 3 .
Los investigadores predicen aquí que las propiedades eléctricas de las matrices de nanotubos de alta densidad se pueden mejorar aún más mediante la realización de varias modificaciones, como mejorar el contacto eléctrico entre las matrices de nanotubos y los electrodos metálicos, utilizando mejores técnicas de separación de nanotubos, y mejorar la consistencia del dispositivo. En el futuro, Los investigadores dicen que los principales desafíos residirán en el requisito de un control de ingeniería extremo en lugar de las limitaciones intrínsecas de los propios nanotubos.
"Para aplicaciones lógicas de alto rendimiento, actualmente nuestro objetivo es reemplazar el silicio con nanotubos de carbono en el nodo de tecnología de 5 nm en 2022-23, "Cao dijo Phys.org . "Se han logrado mejoras significativas, especialmente en el aspecto material, durante los últimos cinco años. Ahora podemos separar nanotubos semiconductores y metálicos con una pureza superior al 99%, y ensamblar nanotubos a alta densidad. La mejora adicional para lograr una pureza del 99,99% y reducir los defectos presentes durante el ensamblaje es más o menos un desafío de control de ingeniería.
"Al mismo tiempo, hay que trabajar más para mejorar aún más el dispositivo, especialmente en esta dimensión extremadamente escalada. Por ejemplo, La resistencia de contacto del dispositivo debe reducirse con la restricción de la longitud de contacto limitada. Es necesario establecer un proceso autoalineado para fabricar transistores de nanotubos de menos de 10 nm para minimizar la capacitancia parásita. Para electrónica de película delgada, en mi opinión, Los nanotubos de carbono están casi listos para competir con otras tecnologías en el mercado. Aún son necesarias algunas mejoras adicionales en términos de confiabilidad y uniformidad del dispositivo, pero el mayor desafío es encontrar la aplicación de nicho adecuada ".
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