Cuando las nanopartículas de cobre se depositan en redes SWNT (izquierda:red alineada; derecha:red de barras cruzadas), las nanopartículas crean espacios de banda en los SWNT metálicos, que disminuye la corriente de fuga y mejora la relación de encendido / apagado de un transistor. Crédito:D. Asheghali, et al.
(Phys.org) —Los transistores del futuro fabricados con nanotubos de carbono semiconductores de pared simple (s-SWNT) tienen el potencial de funcionar mucho mejor que los transistores actuales. Sin embargo, cuando los SWNT se cultivan a granel, solo alrededor de dos tercios de ellos son semiconductores, mientras que el otro tercio son metálicos (m-SWNT). Dado que los m-SWNT tienen una conductividad más alta que los s-SWNT, su presencia permite la fuga de corriente en el estado apagado de un transistor, lo que disminuye en gran medida la relación de corriente de encendido / apagado del transistor y el rendimiento general. En un nuevo estudio, Los científicos han demostrado que simplemente decorar los m-SWNT con nanopartículas de óxido de cobre puede convertirlos en s-SWNT, resultando en un aumento de 205 veces en la relación de corriente de encendido / apagado de un transistor.
Los investigadores, Darya Asheghali, Pornnipa Vichchulada, y el profesor asociado Marcus D. Lay en la Universidad de Georgia en Atenas, han publicado su artículo sobre la conversión de m-SWNT en s-SWNT en una edición reciente de la Revista de la Sociedad Química Estadounidense .
Estudios anteriores han intentado superar el problema de los m-SWNT mediante el uso de métodos que a menudo son complejos y costosos. Algunos enfoques implican el uso de métodos de crecimiento de SWNT especializados que seleccionan para s-SWNT, mientras que otros enfoques implican el procesamiento de soluciones posteriores al crecimiento para eliminar los m-SWNT.
El enfoque propuesto en el nuevo estudio podría proporcionar una solución más simple para obtener grandes cantidades de s-SWNT. Después de cultivar los SWNT utilizando un método de crecimiento a granel convencional, los investigadores depositaron nanopartículas de óxido de cobre de menos de 10 nm en todos los nanotubos, tanto metálicos como semiconductores. Este único paso convierte los m-SWNT en s-SWNT y también mejora las propiedades eléctricas de los s-SWNT originales.
Cuando los investigadores incorporaron estos s-SWNT decorados en transistores, encontraron que las relaciones de corriente de encendido / apagado de los transistores aumentaron de aproximadamente 21 a 4300, lo que representa una mejora de 205 veces.
La razón por la que las nanopartículas tienen este efecto se debe a la forma en que cambian los espacios de banda de los SWNT. Dado que una banda prohibida es el rango de energía en un material donde los electrones no pueden existir, generalmente una gran banda prohibida corresponde a una baja conductividad eléctrica, y viceversa. Típicamente, los aisladores tienen grandes espacios de banda, los semiconductores tienen brechas de banda más pequeñas, y los conductores tienen brechas de banda muy pequeñas o nulas.
En el estudio actual, los m-SWNT originalmente no tienen banda prohibida, haciéndolos buenos conductores. Aunque la alta conductividad es buena cuando los transistores están en estado de encendido (cuando los electrones fluyen), es una desventaja en el estado inactivo (donde los electrones no fluyen). Al ser altamente conductivo, los m-SWNT pierden mucha corriente en el estado apagado.
Como demuestran los investigadores aquí, las nanopartículas de óxido de cobre pueden abrir una banda prohibida en los m-SWNT, lo que restringe el flujo de corriente y reduce en gran medida la corriente de fuga cuando el transistor está apagado. Ahora que los m-SWNT tienen una banda prohibida, son, por definición, s-SWNT. Las nanopartículas también aumentan las brechas de banda de los s-SWNT, lo que mejora tanto su uniformidad como su eficiencia actual.
Los investigadores explican que las nanopartículas de óxido de cobre crean / aumentan estos espacios de banda al retirar la densidad de electrones de los SWNT en el punto de contacto. En un sentido, las nanopartículas actúan como pequeñas válvulas a lo largo de un cable que aumentan la sensibilidad de los SWNT a los voltajes de compuerta en ciertos puntos, cambiando la conductividad de los SWNT en general.
Aunque los investigadores describen el efecto como una conversión de SWNT metálicos en SWNT semiconductores, también aclaran que, cuando se viene abajo, Los m-SWNT no son verdaderos metales. En lugar de, Deben considerarse semimetales o semiconductores de banda prohibida cero porque los metales verdaderos no pueden volverse sensibles al voltaje de la puerta.
El grafeno también entra en esta categoría de semimetales. Sin embargo, es más complicado abrir una banda prohibida en el grafeno porque el grafeno es un material bidimensional. Los investigadores explican que la naturaleza 1-D de los SWNT simplifica el proceso de ajuste de la banda prohibida al permitir que las nanopartículas actúen como válvulas en un cable y detengan localmente el transporte de electrones. Este enfoque no puede trasladarse al grafeno plano debido a su geometría diferente.
Este método relativamente simple de usar nanopartículas para convertir m-SWNT en s-SWNT, y la mejora significativa del desempeño que resulta, tiene un gran potencial para promover el desarrollo de transistores basados en SWNT en el futuro, así como también trasladarse a otras áreas.
"La capacidad de abrir una banda prohibida en semiconductores basados en grafito como SWNT y grafeno tendrá aplicaciones en sensores y conversión de energía, "Lay dijo Phys.org .
En cuanto a los transistores de efecto de campo SWNT (FET), Lay explicó que quedan otros desafíos antes de que puedan generalizarse comercialmente.
"El mayor problema al que se enfrentan los SWNT FET es la escasez de métodos de purificación y formación de suspensión que separan los SWNT de alta relación de aspecto necesarios para aplicaciones estructurales y electrónicas de las partículas de hollín y catalizador que constituyen aproximadamente el 50% de las muestras de SWNT con métodos comunes de crecimiento a granel. ", dijo." Otro obstáculo importante es la falta de métodos de deposición que permitan controlar la densidad y la alineación de los SWNT ".
Lay y su grupo han contribuido significativamente a estas dos áreas en otro estudio reciente 1 .
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